KR20160078325A - 피스톤 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은: 크랭크샤프트; 내부 챔버를 형성하는 실린더; 챔버 내에 위치하고, 크랭크샤프트와 연결되며, 챔버 내부에서 왕복운동하도록 구성되는 피스톤; 및 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드;를 포함하며, 각 포트 그룹에 대하여: 포트 그룹의 각 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브; 밸브와 연결되는 브릿지; 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 움직이게 하기 위한 액츄에이터(actuator)를 각각 포함하고, 헤드와 연결되는 밸브 배열를 포함하며, 헤드에 대한 브릿지의 운동은 밸브의 동기화된 작동을 야기하는 피스톤 기계에 관한 것이다.

Description

피스톤 기계{PISTON MACHINE}

본 발명은 피스톤 기계에 관한 것으로서, 배타적이지는 않지만 특히, 피스톤 기계에서 사용하기 위한 밸브 배열뿐만 아니라 공기와 같은 가압 가스에 의해 전력이 공급되는 왕복운동 엔진 또는 컴프레서에 관한 것이다.

일반적으로 피스톤 엔진이라고도 불리는 왕복운동 엔진은, 왕복운동 피스톤에 가해지는 압력을 연결된 샤프트의 회전으로 변환하는데 사용된다. 내연 왕복운동 엔진에서, 압력은 피스톤이 왕복 운동하는 실린더 내에서 연료의 연소에 의해 제공된다. 다른 유형의 왕복운동 엔진에서, 엔진에 전력을 공급하기 위한 압력은 기압 가스를 직접 실린더 안에 제공함으로써 제공될 수 있다. 예컨대, 증기 엔진은 가열되고 가압된(pressurised) 수증기에 의해 전력이 공급되며, 공기 엔진은 압축된(compressed) 공기에 의해 전력이 공급된다.

내연에 의존하지 않고 가압 가스에 의해 전력이 공급되는 공기 엔진 및 다른 왕복운동 엔진 유형들은 유사한 크기의 내연 엔진들과 비교할 때 대개 감소된 에너지 생산 용량을 갖지만, 그럼에도 불구하고, 가령 연소가 안전하지 않거나, 연소 폐기물이 작업 환경으로 배기되는 것이 바람직하지 않은 상황에서와 같이 이러한 것들이 바람직할 수 있는 범위의 활용들이 있다.

자동차를 위한 원동력의 소스로서 압축 가스 엔진, 특히 공기 엔진의 활용에 대한 관심이 증가해왔다. 전형적으로, 공기 엔진은 사용 시점에 어떠한 오염된 배기물을 생성하지 않을 것이고, 따라서, 가압 공기가, 재생 가능한 전력 소스 또는 적어도 동등한 내연 엔진과 비교할 때 감소된 배기물을 생성하는 전력 소스에 의해 구동되는 컴프레서에 의해 효율적으로 생산된다고 가정할 때 내연 엔진에 대한 상대적으로 깨끗한 대안을 제공할 것으로 여겨진다.

미국 특허 제6,598,392호는 내연이 아닌 압축된 가스에 의해 전력이 공급될 수 있는 작은 운송수단들을 위한 발전 장치로서 사용하도록 제안된 압축 가스 엔진의 실시예를 개시한다. 특히, 본 문서의 압축 가스 엔진은 실린더 내의 복수의 왕복운동 피스톤을 포함하고, 상기 피스톤은 소스 탱크로부터의 압축 가스에 의해 구동된다. 흡기 및 배기 밸브는 각각, 피스톤을 구동하고 공기를 배기하기 위해 가스를 피스톤으로 향하게 하도록 선택적으로 개방된다.

안타깝게도, 현재까지 제안된 공기 엔진에 의해 전력 공급되는 자동차는 일반적으로 매우 제한된 성능 및/또는 동작의 범위를 가진다. 이는 공기 엔진 설계에서의 비효율성, 저장될 수 있는 압축된 공기의 양에 대한 물리적 한계 및 그것의 저장 기압에 기인한 것일 수 있다.

이 분야에서 최근의 개발은, 가령 Engineair Pty Ltd and Motor Development International S.A. (MDI)와 같은 세간의 이목을 끄는 공기 엔진 개발 회사들은 종래의 왕복운동 엔진 배열로부터 상당히 이탈하였음에도 불구하고 공기 엔진으로 전력이 공급되는 자동차를 오늘날 상업적으로 이용 가능하도록 만들만한 충분한 향상을 제공하지 못하고 있으나, 이러한 문제점들의 일부를 해결하고자 하였다.

더욱이, 자동차에서 공기 엔진 기술을 널리 채택하려면 아직 이용 가능하지 않은 자동차의 공급품을 재충전하도록 압축된 공기를 효율적으로 제공하기 위한 기반시설(infrastructure)이 요구될 가능성이 높다.

비록 압축된 공기의 저장 및/또는 생산에 따른 설계의 비효율성과 관련한 유사한 이슈들이 이러한 관점에서 실용적인 활용을 제안하고 있으나, 공기 엔진은 또한, 가령 전기 또는 연료 분배 기반시설이 없는 원격 위치에서처럼 전력이 생산되도록 허용하는데 유용할 수 있다.

전술한 바를 고려할 때, 특히 압축된 가스에 의해 전력이 공급되는 왕복운동 엔진과 관련하여 향상된 왕복운동 엔진 기술에 대해 여전히 충족되지 않은 수요가 있다.본 명세서에서 임의의 종래의 문헌 (또는 그것으로부터 도출된 정보), 또는 알려진 임의의 사항에 대한 언급은, 종래의 문헌 (또는 그것으로부터 도출된 정보)이 본 명세서가 관련 짓고 있는 기술분야에서 주지된 사실의 일부를 형성하는 것으로 인정하거나, 받아들여지거나, 임의의 형태로 시사하는 것이 아니며, 인정하거나, 받아들여지거나, 임의의 형태로 시사하는 것으로 여겨져서는 안 된다.

제1의 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 크랭크샤프트(crankshaft);

b) 내부 챔버를 정의하는 실린더;

c) 챔버에 배치되고, 크랭크샤프트에 연결되며, 챔버 내에서 왕복운동하도록 구성된 피스톤;

d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 대향하는 단부에서 챔버를 폐쇄하며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이에서 유체 소통(fluid communication)을 하기 위한 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및

e) 각각의 포트 그룹에 대해, 헤드에 연결되고:

i) 포트 그룹의 각각의 포트에 대해, 각각의 포트를 통해 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 헤드에 대한 상기 브릿지의 이동은 밸브들의 동기화된 동작을 발생시키는 브릿지; 및

iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지가 이동하도록 하기 위한 액츄에이터(actuator)를 각각 포함하는 를 포함하는, 왕복운동 엔진을 제공하고자 한다.

전형적으로, 액츄에이터는 크랭크샤프트에 회전 연결된 캠샤프트에 탑재된 캡을 포함하며, 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 이동을 제어하도록 구성된다.

전형적으로, 브릿지는 캠을 체결하기 위한 캠 팔로워(cam follower)를 포함한다.

전형적으로, 액츄에이터는 브릿지가 헤드로부터 멀어지게 이동하게끔 한다.

전형적으로, 각각의 밸브 배열는 브릿지를 헤드를 향해 편향하기 위한 적어도 하나의 편향 부재(biasing member)를 포함한다.

전형적으로, 편향 부재는 스프링이다.

전형적으로, 적어도 하나의 밸브 배열는 헤드로부터 멀어지는 브릿지의 이동이 밸브가 각각의 포트를 폐쇄시키도록 구성된다.

전형적으로, 편향 부재는 헤드를 향해 브릿지가 이동하는 것을 도움으로써 밸브가 각각의 포트를 개방시키도록 한다.

전형적으로, 상기 적어도 하나의 밸브 배열는 헤드로부터 멀어지는 브릿지의 이동이 밸브가 각각의 포트를 개방시키도록 구성된다.

전형적으로, 편향 부재는 브릿지가 헤드를 향해 이동하는 것을 도움으로써 밸브가 각각의 포트를 폐쇄시키도록 한다.

전형적으로, 액츄에이터는 브릿지가 헤드를 향해 이동하도록 한다.

전형적으로, 액츄에이터는 피스톤의 왕복운동에 기반하여, 브릿지가 헤드를 향해 그리고 헤드로부터 멀어지게끔 제어가능하게 이동하도록 한다.

전형적으로, 각각의 밸브는:

a) 브릿지에 연결된 연장 스템(elongate stem); 및

b) 각각의 포트의 개구를 밀봉함으로써 포트를 폐쇄하기 위한, 스템의 단부에 있는 플러그를 포함한다.

전형적으로, 각각의 밸브의 스템은 헤드에 배치된 밸브 가이드에 의해 방사상으로 지지된다.

전형적으로, 밸브 배열들 중 하나의 밸브들에 대해, 밸브들은, 브릿지에 의해 들어올려짐으로써 개방되어서 플러그가 헤드 안으로 이동하도록 한다.

전형적으로, 피스톤은 실린더에 대한 행정 방향(stroke direction)으로 왕복운동하며, 브릿지는 그 타격 방향으로 이동하여 밸브가 타격 방향으로 이동하도록 한다.

전형적으로, 밸브는 브릿지의 중심 평면에 대해 대칭적으로 브릿지에 연결된다.

전형적으로, 엔진은:

a) 헤드에:

i) 챔버와 흡기 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 흡기 포트 그룹; 및

ii) 챔버와 배기 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 배기 포트 그룹;

b) 흡기 포트 그룹의 각각의 흡기 포트를 통한 유체 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브 및 흡기 밸브에 연결된 흡기 브릿지를 포함하는 흡기 밸브 배열; 및

c) 배기 포트 그룹의 각각의 배기 포트를 통한 유체 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브 및 흡기 밸브에 연결된 배기 브릿지를 포함하는 배기 밸브 배열를 포함한다.

전형적으로, 흡기 밸브는 흡기 브릿지가 헤드로부터 멀어지도록 이동될 때 개방되도록 구성되며, 배기 밸브는 배기 브릿지가 헤드로부터 멀어지도록 이동될 때 폐쇄되도록 구성된다.

전형적으로, 흡기 브릿지는 흡기 캠에 의해 헤드로부터 멀어지도록 이동되고 배기 브릿지는 배기 캠에 의해 헤드로부터 멀어지도록 이동된다.

전형적으로, 흡기 캠 및 배기 캠은 단일 캠샤프트에 탑재되고, 캠샤프트는 크랭크샤프트에 연결된다.

전형적으로, 흡기 밸브 어셈블리는 흡기 브릿지가 헤드를 향하도록 촉구함으로써 폐쇄된 위치에서 흡기 밸브를 편향하기 위한 적어도 하나의 흡기 편향 부재를 포함한다.

전형적으로, 배기 밸브 어셈블리는 배기 브릿지가 헤드를 향하도록 촉구함으로써 개방된 위치에서 배기 밸브를 편향하기 위한 적어도 하나의 배기 편향 부재를 포함한다.

전형적으로, 흡기 밸브는 흡기 브릿지가 헤드로부터 멀어지도록 이동될 때 폐쇄되도록 구성되고, 배기 밸브는 배기 브릿지가 헤드로부터 멀어지도록 이동될 때 폐쇄되도록 구성된다.

전형적으로, 흡기 밸브 어셈블리는 흡기 브릿지가 헤드를 향하도록 촉구함으로써 개방된 위치에서 흡기 밸브를 편향하기 위한 적어도 하나의 흡기 편향 부재를 포함한다.

전형적으로, 배기 밸브 어셈블리는 배기 브릿지가 헤드를 향하도록 촉구함으로써 개방된 위치에서 배기 밸브를 편향하기 위한 적어도 하나의 배기 편향 부재를 포함한다.

전형적으로, 배기 포트 그룹은 흡기 그룹에 비해 더 많은 수의 포트들을 포함한다.

전형적으로, 배기 포트 그룹의 배기 포트를 통한 전체 배기 흐름 영역은 흡기 포트 그룹의 흡기 포트를 통한 전체 흡기 흐름 영역보다 크다.

전형적으로, 피스톤은 오목한 피스톤 면(piston face)을 가진다.

전형적으로, 크랭크샤프트는 엔진 내에서 롤러 베어링을 사용하여 지지된다.

전형적으로, 피스톤은 피스톤과 실린더의 벽 사이의 밀봉을 형성하기 위한 피스톤 밀봉을 포함한다.

전형적으로, 엔진은 복수의 실린더를 포함하고, 각각의 실린더는 피스톤, 헤드, 밸브 어셈블리 각각을 가진다.

전형적으로, 동일한 피스톤, 헤드, 밸브 어셈블리가 복수의 실린더 중 각각의 실린더를 위해 사용된다.

전형적으로, 밸브 어셈블리는 적어도 하나의 실린더를 위한 흡기 포트가 모든 크랭크샤프트 회전 위치들에 대해 개방되도록 구성된다.

제2의 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 가스를 수용하고 가스에 가압함으로써 가압 가스를 공급하기 위한 가스 컴프레서;

b) 제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 엔진에 있어서, 가스 컴프레서로부터 가압 가스를 수용하여 엔진이 가압 가스에 의해 구동되도록 구성되는 엔진을 포함하는 전력 생성 시스템을 제공하고자 한다.

전형적으로, 시스템은 엔진에 연결된 발전기를 더 포함한다.

전형적으로, 발전기는:

a) 전기 부하;

b) 전기 저장소(store);

c) 전기 모터; 및

d) 가스 컴프레서 중 적어도 하나에 전력을 공급하기 위한 것이다.

전형적으로, 엔진은 주변 온도보다 낮은 배기 온도를 갖는 배기 가스를 배기하고, 상기 배기 가스는:

a)냉각;

b) 장비의 냉각;

c) 냉장; 및

d) 공조 중 적어도 하나를 위해 사용된다.

전형적으로, 가스 컴프레서는 내연 엔진에 의해 구동된다.

전형적으로, 내연 엔진은 엔진에 의해 배기되는 배기 가스에 의해 냉각된다.

제3의 넓은 형태로, 본 발명은 전술한 전력 생성 시스템을 포함하는 운송수단용 발전 장치를 제공하고자 한다.

전형적으로, 운송수단은 바퀴를 포함하며 엔진은 트레인을 구동하여 운송수단의 바퀴를 구동하도록 기계적으로 연결된다.

전형적으로, 시스템은 가압 가스가 가스 컴프레서에 의해 공급될 때 엔진을 구동하는데 사용되지 않은 임의의 가압 가스를 저장하기 위한 저장소를 포함하고, 저장소는 가압 가스를 엔진으로 제어 가능하게 공급하도록 구성된다.

제4의 넓은 형태로, 본 발명은 가압 가스에 의해 구동되도록 구성되는 가압 가스 엔진을 제공하고자 하며, 상기 가압 가스 엔진은:

a) 크랭크샤프트;

b) 내부 챔버를 정의하는 실린더;

c) 크랭크샤프트에 연결되고 챔버 내에서 왕복 운동하도록 구성되며, 챔버에 배치되는 피스톤;

d) 실린더에 부착되고 피스톤에 대향하는 단부에서 챔버를 폐쇄하는 헤드로서, 헤드는 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및

e) 각각의 포트 그룹에 대해, 헤드에 연결된 밸브 배열를 포함하며, 각각의 밸브 배열는:

i) 포트 그룹의 각각의 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 헤드에 대한 브릿지의 이동은 밸브의 동기화된 동작을 발생시키는 브릿지; 및

iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 이동하도록 하기 위한 액츄에이터를 포함하는 가압 가스 엔진.

전형적으로, 가압 가스 엔진은:

a) 헤드에:

i) 챔버와 흡기 매니폴드 사이의 가압 가스의 유체 소통을 허용하기 위한 흡기 포트 그룹; 및

ii) 챔버와 배기 매니폴드 사이의 배기 가스의 유체 소통을 허용하기 위한 배기 포트 그룹;

b) 흡기 포트 그룹의 각각의 흡기 포트를 통한 가압 가스 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브 및 흡기 밸브에 연결된 흡기 브릿지를 포함하는 흡기 밸브 배열; 및

c) 배기 포트 그룹의 각각의 배기 포트를 통한 배기 가스 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브 및 배기 밸브에 연결된 배기 브릿지를 포함하는 배기 밸브 배열를 포함한다.

제5의 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 크랭크샤프트;

b) 내부 챔버를 정의하는 실린더;

c) 크랭크샤프트에 연결되고 챔버 내에서 왕복 운동하도록 구성되며 챔버에 배치된 피스톤;

d) 실린더에 부착되고 피스톤에 대향하는 단부에서 챔버를 폐쇄하는 헤드로서, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및

e) 각각의 포트 그룹에 대해, 헤드에 연결된 밸브 배열를 포함하고, 각각의 밸브 배열는:

i) 포트 그룹의 각각의 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 헤드에 대한 브릿지의 이동은 밸브의 동기화된 동작을 발생시키는 브릿지; 및

iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 이동하도록 하기 위한 액츄에이터를 포함하는 내연 엔진을 제공하고자 한다.

전형적으로, 내연 엔진은:

a) 점화 소스;

b) 예열 플러그; 및

c) 연료 분사기 중 적어도 하나를 포함한다.

제6의 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 크랭크샤프트;

b) 내부 챔버를 정의하는 실린더;

c) 크랭크샤프트에 연결되고 챔버 내에서 왕복 운동하도록 구성되며 챔버에 배치된 피스톤;

d) 실린더에 부착되고 피스톤에 대향하는 단부에서 챔버를 폐쇄하며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 포트를 포함하는 헤드; 및

e) 밸브 배열를 포함하고, 밸브 배열는:

i) 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 제1 방향으로의 브릿지의 이동은 밸브가 폐쇄되도록 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 이동은 밸브가 개방되도록 하는 브릿지;

iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 제1 방향으로 브릿지를 이동함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하기 위한 폐쇄 액츄에이터; 및

iv) 제2 방향으로 브릿지를 편향하기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진을 제공하고자 한다.

전형적으로, 밸브 배열는, 폐쇄 액츄에이터가 밸브를 확실하게 폐쇄하는데 사용되지 않을 때 편향 부재가 밸브가 개방되도록 하게끔 구성된다.

전형적으로, 폐쇄 액츄에이터는 크랭크샤프트에 회전 연결된 캠샤프트에 탑재되는 캠을 포함하고, 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 이동을 제어하도록 구성되고, 브릿지는 캠을 체결하기 위한 캠 팔로워를 포함한다.

전형적으로, 브릿지는 밸브가 연결된 제1 브릿지 부분 및 캠 팔로워를 포함하는 제2 브릿지 부분을 포함한다.

전형적으로, 브릿지는 제1 브릿지 부분과 제2 브릿지 부분 사이의 캐비티(cavity)를 정의하며, 캠샤프트는 캐비티를 통해 연장된다.

전형적으로, 각각의 편향 부재는 브릿지에 연결된 스프링이다.

전형적으로, 각각의 스프링은 브릿지에 연결되어서 밸브를 확실하게 폐쇄하기 위해 폐쇄 액츄에이터를 사용하여 제1 방향으로 브릿지가 이동될 때 스프링이 압축되어서, 압축된 스프링이 브릿지를 제2 방향으로 촉구함으로써, 폐쇄 액츄에이터가 밸브를 확실하게 폐쇄하는데 사용되지 않을 때에 밸브를 개방하도록 한다.

전형적으로, 각각의 스프링은 헤드로부터 바깥으로 연장되는 스터드(stud)에 탑재된다.

전형적으로, 밸브 배열는 밸브에 대해 대칭적으로 배치된 한 쌍의 편향 부재를 포함한다.

전형적으로, 제1 방향으로의 브릿지의 이동은 브릿지가 헤드로부터 떨어지도록 이동하는 것을 수반하고, 제2 방향으로의 브릿지의 이동은 브릿지가 헤드를 향해 이동하는 것을 수반한다.

전형적으로, 밸브 배열는 브릿지에 연결된 2개 이상의 밸브를 포함하고, 각각의 밸브는 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어함으로써, 브릿지의 이동이 2개 이상의 밸브의 동기화된 동작을 발생시키기 위한 것이다.

전형적으로, 엔진은 압축된 가스에 의해 구동되도록 구성되는 가압 가스 엔진이다.

전형적으로, 엔진은 내연 엔진이며,

a) 점화 소스;

b) 예열 플러그; 및

c) 연료 분사기 중 적어도 하나를 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 제2 방향으로 이동시킴으로써 밸브를 확실하게 개방하기 위한 개방 액츄에이터를 더 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는, 밸브가 폐쇄된 후 포트와 밸브 사이의 밀봉을 확실하게 해제하기 위해 브릿지를 제2 방향으로 이동하도록 하기 위한 밀봉 해제 액츄에이터를 포함한다.

전형적으로, 폐쇄 액츄에이터는 크랭크샤프트에 회전 연결된 캠샤프트에 탑재되고, 밀봉 해제 액츄에이터는 동일한 캠샤프트에 탑재된 제2 캠을 포함하며, 제1 및 제2 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 이동을 제어하도록 구성된다.

전형적으로, 제1 캠은 제1 캠 로브를 포함하고 제2 캠은 제2 캠 로브를 포함하며, 캠샤프트의 회전시 제1 캠 로브는 브릿지를 제1 방향으로 촉진함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하고 제2 캠 로브는 브릿지를 제2 방향으로 촉진함으로써 밀봉을 확실하게 해제하도록 한다.

전형적으로, 브릿지는 제1 캠을 체결하기 위한 제1 캠 팔로워 및 제2 캠을 체결하기 위한 제2 캠 팔로워를 포함한다.

전형적으로, 브릿지는:

a) 밸브가 연결되고 제2 캠 팔로워를 포함하는 제1 브릿지 부분; 및

b) 제1 캠 팔로워를 포함하는 제2 브릿지 부분을 포함한다.

전형적으로, 캠샤프트는 제1 및 제2 브릿지 부분 사이에서 연장된다.

전형적으로, 밸브 배열는 편향 부재가 밸브의 폐쇄의 충격을 완화해주도록(cushion) 구성된다.

또 다른 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 회전 샤프트;

b) 내부 챔버를 정의하는 하우징;

c) 샤프트에 연결되고 샤프트가 회전함에 따라 챔버 내에서 이동하도록 구성되며, 챔버에 배치된 피스톤;

d) 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위해 하우징에 제공되는 포트; 및

e) 밸브 배열를 포함하고, 밸브 배열는:

i) 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 브릿지의 제1 방향으로의 이동은 밸브가 폐쇄되도록 하며, 브릿지의 제2 방향으로의 이동은 밸브가 개방되도록 하는 브릿지;

iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지가 제1 방향으로 이동하도록 함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하기 위한 폐쇄 액츄에이터; 및

iv) 브릿지를 제2 방향으로 편향하기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 피스톤 기계를 제공하고자 한다.

전형적으로, 피스톤 기계는 컴프레서 및 왕복운동 엔진 중 적어도 하나이다.

또 다른 넓은 형태로, 본 발명은 피스톤 기계에 사용하기 위한 밸브 배열를 제공하고자 하며, 밸브 배열는:

a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

b) 밸브에 연결된 브릿지로서, 브릿지의 제1 방향으로의 선형 이동은 밸브가 폐쇄되도록 하며, 브릿지의 제2 방향으로의 선형 이동은 브릿지가 개방되도록 하는 브릿지;

c) 캠 로브를 포함하는 회전가능한 캠을 포함하며, 캠의 회전시 캠 로브가 브릿지를 제1 선형 방향으로 촉구함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하는 폐쇄 액츄에이터; 및

d) 브릿지를 제2 선형 방향으로 편향하여 적어도 하나의 편향 부재가 밸브가 액츄에이터에 의해 확실하게 폐쇄되지 않을 때 밸브를 개방하기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함한다.

또 다른 넓은 형태로, 본 발명은:

a) 회전 샤프트;

b) 내부 챔버를 정의하는 하우징;

c) 샤프트에 연결되고 샤프트가 회전함에 따라 챔버 내에서 이동하도록 구성되며, 챔버에 배치되는 피스톤;

d) 실린더에 부착되고 피스톤에 대향하는 단부에서 챔버를 폐쇄하는 헤드로서, 헤드는 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 허용하기 위한 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및

e) 각각의 포트 그룹에 대해, 헤드에 결합된 밸브 배열를 포함하며, 각각의 밸브 배열는:

i) 포트 그룹의 각각의 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

ii) 밸브에 연결된 브릿지로서, 헤드에 대한 브릿지의 이동은 밸브의 동기화된 동작을 발생시키는 브릿지; 및

iii) 브릿지가 이동하도록 하기 위한 액츄에이터를 포함하는 피스톤 기계를 제공하고자 한다.

하나의 넓은 형태로, 본 발명은 피스톤 기계에서 사용하기 위한 밸브 배열를 제공하고자 하며, 밸브 배열는:

a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

b) 밸브에 연결된 브릿지로서, 브릿지의 제1 방향으로의 선형 이동은 밸브가 폐쇄되도록 하며 브릿지의 제2 방향으로의 선형 이동은 밸브가 개방되도록 하는 브릿지;

c) 제1 캠 로브를 포함하는 회전가능한 제1 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터로서, 제1 캠의 회전시 제1 캠 로브는 브릿지를 제1 선형 방향으로 촉구함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하는, 폐쇄 액츄에이터; 및

d) 브릿지가 제2 방향으로 이동하도록 함으로써 적어도 확실하게 밸브를 개방하기 위한 개방 액츄에이터를 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 브릿지에 탑재된 제1 캠 팔로워를 포함하고, 제1 캠 팔로워는 브릿지의 제1 선형 방향으로의 이동을 발생시키기 위해 제1 캠과 함께 동작한다.

전형적으로, 제1 캠은 제1 캠 팔로워와 밸브 사이에 배치된다.

전형적으로, 제1 캠 로브는 제1 캠 팔로워가 밸브로부터 멀어지도록 제1 선형 방향으로 촉구한다.

전형적으로, 제1 캠 팔로워는 브릿지에 이동가능하게 탑재된다.

전형적으로, 제1 캠 팔로워는 편향 스프링에 의해 브릿지에 대한 제2 방향으로 촉구된다.

전형적으로, 제1 또는 제2 방향에서 제1 캠 팔로워의 위치는 밸브 양정(valve lift)의 각도를 조정하도록 조정된다.

전형적으로, 개방 액츄에이터는 제2 캠 로브를 갖는 회전가능한 제2 캠을 포함하고, 제2 캠의 회전시 제2 캠 로브는 제2 선형 방향으로 브릿지를 촉구함으로써 밸브를 확실하게 개방시킨다.

전형적으로, 밸브 배열는 브릿지에 탑재된 제2 캠 팔로워를 포함하고, 제2 캠 팔로워는 브릿지의 제2 선형 방향으로의 이동을 발생시키기 위해 제2 캠과 함께 동작한다.

전형적으로, 제2 캠 팔로워는 제2 캠과 밸브 사이에 배치된다.

전형적으로, 제2 캠은 제1 캠과 동축이며 회전 불변하게(rotationally invariant) 장착된다.

전형적으로, 밸브 배열는 공통 캠샤프트에 탑재된 제1 및 제2 캠을 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격된 적어도 2개의 제1 캠을 포함하고, 상기 적어도 2개의 제1 캠은 브릿지에 탑재된 상응하는 적어도 2개의 제1 캠 팔로워와 함께 동작한다.

전형적으로, 밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격된 적어도 2개의 제2 캠을 포함하고, 상기 적어도 2개의 제2 캠은 브릿지에 탑재된 상응하는 적어도 2개의 제2 캠 팔로워와 함께 동작한다.

전형적으로, 밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격된 복수의 제1 캠을 포함한다.

전형적으로, 제2 캠 로브는 또한, 제1 캠 로브가 브릿지를 제1 선형 방향으로 촉구하지 않을 때 제1 선형 방향으로의 브릿지의 이동을 제한한다.

전형적으로, 개방 액츄에이터는 제2 선형 방향으로 밸브를 편향하기 위한 스프링을 포함한다.

전형적으로, 브릿지는 제1 및 제2 브릿지 부분을 포함한다.

전형적으로, 제1 및 제2 브릿지는 그들 사이의 개구 및 사용시 개구를 통해 연장되는 캠샤프트를 정의한다.

전형적으로, 밸브는 제1 브릿지 부분에 연결되고, 밸브 배열는 제2 브릿지 부분에 탑재된 제1 캠 팔로워를 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 제1 브릿지 부분에 연결된 제2 캠 팔로워를 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 적어도 하나의 캠과 브릿지로부터 측면으로 오프셋된 캠 팔로워를 포함한다.

전형적으로, 밸브 배열는 이격된 배치에서 복수의 밸브, 브릿지 및 개방 액츄에이터를 포함하고, 각각의 개방 액츄에이터는 적어도 하나의 제1 캠을 포함하며, 각각의 제1 캠은 공통 캠샤프트에 탑재된다.

또 다른 넓은 형태로, 본 발명은 피스톤 기계에서 사용하기 위한 밸브 배열를 제공하고자 하며, 밸브 배열는:

a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동식으로 제어하기 위한 밸브;

b) 밸브에 연결된 브릿지로서, 브릿지의 제1 방향으로의 선형 이동은 밸브가 폐쇄되도록 하고, 브릿지의 제2 방향으로의 선형 이동은 밸브가 개방되도록 하는 브릿지; 및

c) 브릿지에 캠 팔로워를 체결하는 캠 로브를 갖는 회전가능한 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터로서, 캠의 회전시 캠 로브는 캠 팔로워를 촉구하고 따라서 브릿지를 제1 선형 방향으로 촉구함으로써 밸브를 확실하게 폐쇄하며, 캠은 캠 팔로워 및 밸브 사이에 배치되는 폐쇄 액츄에이터를 포함한다.

본 발명의 전술한 넓은 형태들과 그들 각각의 특징들은 독립적으로, 함께, 또는 상호교환 가능하게 사용될 수 있으며, 각각의 넓은 형태들에 대한 언급은 제한하고자 하는 것이 아니다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예는 이하에서 첨부되는 도면들을 참조하여 기술될 것이다:
도 1a는 제1 크랭크샤프트 회전 위치를 갖는 왕복운동 엔진의 제1 실시예의 개략적 샤시도이다.
도 1b는 제2 크랭크 샤프트 회전 위치를 갖는 도 1a의 왕복운동 엔진의 개략적 사시도이다.
도 1c는 도 1b에 도시된 왕복운동 엔진의 헤드의 개략적 밑면 사시도이다.
도 1d는 도 1a의 왕복운동 엔진의 개략적 평면도이다.
도 1e는 제1 크랭크샤프트 회전 위치에서 흡기 밸브 위치를 도시하는, 도 1d에 표시된 섹션 A-A'에서의 도 1a의 왕복운동 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 1f는 제1 크랭크샤프트 회전 위치에서 배기 밸브위치를 도시하는, 도 1d에 표시된 섹션 B-B'에서의 도 1a의 왕복운동 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 1g는 제2 크랭크샤프트 회전 위치에서 흡기 밸브 위치를 도시하는, 도 1d에 표시된 섹션 A-A'에서의 도 1b의 왕복운동 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 1h는 제2 크랭크샤프트 회전 위치에서 배기 밸브 위치를 도시하는, 도 1d에 표시된 섹션 B-B'에서의 도 1b의 왕복운동 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 1i 내지 1p는 상이한 크랭크샤프트 회전 위치들에서 각각의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 도시하는, 도 1d에 표시된 섹션 C-C'에서의 도 1b의 왕복운동 엔진의 횡단면도이다.
도 2a는 V4 구성을 갖는 공기 엔진의 실시예의 개략적 정면 사시도이다.
도 2b는 도 2a의 공기 엔진의 개략적 배면도이다.
도 2c는 다수의 덮개가 설치된 도 2a의 공기 엔진의 개략적 정면 사시도이다.
도 2d는 크랭크케이스가 크랭크샤프트를 노출하도록 제거된 도 2a의 공기 엔진의 개략적 저면 사시도이다.
도 2e는 도 2a의 공기 엔진의 실린더들 중 하나의 개략적 횡단면도이다.
도 3a는 도 2a의 엔진의 헤드 및 각각의 밸브 어셈블리의 개략적 정면 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 헤드 및 밸브 어셈블리의 개략적 정면도이다.
도 3c는 도 3a의 헤드 및 밸브 어셈블리의 개략적 측면도이다.
도 3d는 도 3a의 헤드 및 밸브 어셈블리의 개략적 저면 사시도이다.
도 3e는 헤드가 제거된 도 3a의 밸브 어셈블리의 개략적 저면 사시도이다.
도 4a는 제1 피스톤이 상사점(top dead center) 위치에 접근하는, 도 2a의 공기 엔진의 제1 피스톤 및 각각의 밸브를 도시하는 개략적 측면도이다.
도 4b는 도 4b의 제1 피스톤의 개략적 정면도이다.
도 4c는 제2 피스톤이 상사점 위치 후의 90°접근하는, 도 2a의 공기 엔진의 제2 피스톤 및 각각의 밸브를 도시하는 개략적 측면도이다.
도 4d는 도 4c의 제2 피스톤의 개략적 정면도이다.
도 4e는 제3 피스톤이 상사점 위치 후의 180°접근하는, 도 2a의 공기 엔진의 제3 피스톤 및 각각의 밸브를 도시하는 개략적 측면도이다.
도 4f는 도 4e의 제3 피스톤의 개략적 정면도이다.
도 4g는 제4 피스톤이 상사점 위치 후의 270°접근하는, 도 4a에 도시된 공기 엔진의 제4 피스톤 및 상응하는 밸브를 도시하는 개략적 측면도이다.
도 4h는 도 4g의 제4 위치의 개략적 정면도이다.
도 5a는 절대 크랭크각(absolute crank angle)을 기준으로 하는, 도 4a에 도시된 공기 엔진의 제1 피스톤에 대한 밸브 타이밍 다이어그램이다.
도 5b는 절대 크랭크각을 기준으로 하는, 도 4c에 도시된 공기 엔진의 제2 피스톤에 대한 밸브 타이밍 다이어그램이다.
도 5c는 절대 크랭크각을 기준으로 하는, 도 4c에 도시된 공기 엔진의 제3 피스톤에 대한 밸브 타이밍 다이어그램이다.
도 5d는 절대 크랭크각을 기준으로 하는, 도 4d에 도시된 공기 엔진의 제4 피스톤에 대한 밸브 타이밍 다이어그램이다.
도 6a는 도 2a의 공기 엔진의 헤드의 개략적 평면 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 헤드의 개략적 저면 사시도이다.
도 6c는 도 6a의 헤드의 개략적 횡단면도이다.
도 7a는 도 2a의 공기 엔진의 흡기 브릿지의 개략적 평면 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 흡기 브릿지의 개략적 저면 사시도이다.
도 8a는 도 2a의 공기 엔진의 배기 브릿지의 개략적 평면 사시도이다.
도 8b는 도 8a의 배기 브릿지의 개략적 저면 사시도이다.
도 9a는 도 2a의 공기 엔진의 흡기 밸브의 개략적 평면 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 흡기 밸브의 개략적 저면 사시도이다.
도 10a는 도 2a의 공기 엔진의 배기 밸브의 개략적 평면 사시도이다.
도 10b는 도 10a의 배기 밸브의 개략적 저면 사시도이다.
도 11a는 도 2a의 공기 엔진의 밸브 가이드의 개략적 평면 사시도이다.
도 11b는 도 11a의 밸브 가이드의 개략적 저면 사시도이다.
도 12a는 도 2a의 공기 엔진의 크랭크샤프트의 개략적 사시도이다.
도 12b는 도 12a의 크랭크샤프트의 개략적 정면도이다.
도 13은 도 2a의 공기 엔진의 캠샤프트의 개략적 사시도이다.
도 14a는 내연 엔진의 실시예의 개략적 사시도이다.
도 14b는 도 14a에 도시된 내연 엔진의 헤드의 개략적 밑면 사시도이다.
도 14c는 피스톤이 상사점 위치에 있을 때 각각의 흡기 밸브 및 배기 밸브 위치들을 도시하는, 도 1a의 내연 엔진의 개략적 횡단면도이다.
도 14d는 피스톤이 부분적으로 배기 행정를 따르는 위치에 있는 각각의 흡기 밸브 및 배기 밸브 위치들을 도시하는, 도 1a의 내연 엔진의 횡단면도이다.
도 15a는 왕복운동 엔진의 밸브 배열 및 헤드의 실시예의 개략적 단면도이다.
도 15b는 도 15a의 밸브 배열 및 헤드의 개략적 측면도이다.
도 16은 도 15a와 유사하지만 2개의 밸브가 브릿지에 연결된 밸브 배열 및 헤드의 다른 실시예의 개략적 측면도이다.
도 17a 내지 17c는 상이한 샤프트 회전 위치에서 각각의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 도시하는, 컴프레서의 개략적 횡단면도이다.
도 18a는 왕복운동 엔진의 밸브 배열 및 헤드의 또 다른 실시예의 개략적 단면도이다.
도 18b는 도 18a의 밸브 배열 및 헤드의 개략적 측면도이다.
도 19a는 밸브 배열의 또 다른 실시예의 개략적 측면도이다.
도 19b는 도 19a의 밸브 배열의 개략적 단면도이다.
도 20a 내지 도 20c는 캠샤프트의 회전 동안의 도 19a의 밸브 배열의 개략적 단면도이다.

왁복운동 엔진(100)의 예시가 도 1a 내지 도 1d를 통해 서술될 것이다. 이하의 서술에 의해 자명해질 것이나, 엔진(100)은 일반적인 왁복운동 엔진 디자인에 일반적으로 사용되는 몇몇의 특징들을 포함하며, 몇몇의 특징들은 종래 기술을 따르는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 엔진(100)은 일반적으로 종래의 구성에 따르는 크랭크샤프트(100), 실린더(120) 및 피스톤(130)을 통상적으로 포함한다. 종래의 왁복운동 엔진의 배열에 따라, 실린더(120)는 내부 챔버(121)를 정의하고, 챔버(121) 내에 위치되는 피스톤(130)을 가지며, 피스톤(130)은 크랭크샤프트(110)에 연결되고 챔버(121) 내에서 왕복 운동하도록 구성된다.

이 경우, 엔진(100)은 단일의 실린더(120) 및 피스톤(130)을 가지나, 종래의 기술에 따라 사용될 수 있는 복수의 실린더들(120) 및 그에 대응하는 피스톤들(130)을 갖는 엔진 구성 또한 가능하다. 멀티-실린더 엔진 구성에서, 각 피스톤(130)은 통상의 크랭크샤프트(110)(필수는 아님)에 연결되고, 실린더들(120)은 일반적인 인라인 형태, V자 형, 원주형 및 플랫형 엔진 구성들과 같은 다양한 구조로 배열될 수 있다.

어느 경우에도, 엔진(100)은 실린더(120)에 부착되어 피스톤(130) 반대측 단부에서 챔버(121)를 닫는 헤드(140)를 더 포함한다. 앞서 언급한 멀티-실린더 형 엔진 구성에서는, 각 실린더(120)에 대응하는 멀티 헤드들(140)을 포함할 수 있고, 또는 선택적으로, 하나 이상의 실린더(120)에 하나 이상의 헤드들(140)을 포함할 수도 있다.

챔버(121)와 접하는 헤드(140)의 보다 상세한 구성들은 도 1c에 도시된다. 헤드(140)는 두 개 이상의 포트들(143, 145)을 포함하는 포트 그룹들(141, 142)을 포함하여, 챔버(121)와 헤드(140) 내 형성된 개구(144, 146)에 연결된 개별의 매니폴드(manifold)(미도시) 사이의 유체 흐름의 교환을 허용한다.

이 경우, 헤드(140)는 두 개의 포트 그룹들(141, 142)을 포함한다. 구체적으로, 흡기 포트 그룹(141)은 두 개의 흡기 포트들(143)을 통하여 챔버(121)와 흡기 개구(144)에 연결된 흡기 매니폴드(미도시) 사이의 유체 교환을 허용하도록 구비되고, 배기 포트 그룹(142)은 두 개의 배기 포트들(145)을 통하여 챔버(121)와 배기 개구(146)에 연결된 배기 매니폴드(미도시) 사이의 유체 교환을 허용하도록 구비된다.

자명한 것은 각 포트 그룹들(141, 142)을 통한 흐름 교환은 왁복운동 엔진(100)의 형태에 의존한다는 사실이다. 내연 엔진(internal combustion engine)에서는, 흡기 매니폴드는 흡기 포트 그룹(141)을 통하여 연소되기 위해 챔버(121) 내에서 상호작용하는 공기/연료 혼합가스(fuel/air mixture)을 공급할 수 있고, 연소의 생산은 챔버(121)로부터 배기 포트 그룹(142)을 통하여 배기 매니폴드로 상호작용될 수 있다. 선택적으로, 공기 엔진(air engine)에서는, 압축 공기가 흡기 매니폴드에 의해 공급되고 흡기 포트 그룹(141)을 통하여 팽창되기 위해 챔버(121) 내에서 상호작용되며, 팽창 공기는 챔버(121)로부터 배기 포트 그룹(142)을 통하여 배기 매니폴드로 상호작용될 수 있다.

이러한 예시의 목적을 위해, 엔진은 공기 엔진으로서 구동되도록 구성된다고 가정할 수 있으나, 이러한 엔진(100)의 특징들은 어떠한 적절한 왁복운동 엔진 형태에 적용될 수 있다고 보아야 할 것이다. 또한 이러한 예시는 2-행정 왁복운동 엔진의 사이클로 가정하나, 비슷한 원리의 4-행정 또는 다른 엔진 형태에서도 적용될 수 있다고 이해하여야 할 것이다.

어느 경우에도, 엔진(100)은 각 포트 그룹(141, 142)에 헤드(140)에 결합되는 밸브 배열(161, 162)(일반적으로 도 1d의 평면도에 도시됨)을 더 포함한다. 각 밸브 배열(161, 162)은 각 포트(143, 145)를 위해, 개별의 포트(143, 145)을 통하는 유체 흐름을 구동적으로 조절하기 위한 밸브(163, 165)를 포함한다.

따라서 이 예시에서, 흡기 밸브 배열(161)은 흡기 포트 그룹(141)의 흡기 포트들(143)을 통해 유체 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브들(163)을 포함하도록 제공되고, 유사하게, 배기 밸브 배열(162)은 배기 포트 그룹(142)의 배기 포트들(145)을 통해 유체 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브들(165)을 포함하도록 제공된다. 이 예시에서 각 밸브 배열(161, 162)에 두 개의 밸브들(163, 165)이 제공되나, 두 개 이상의 밸브들이 개별의 포트 그룹(141, 142)의 포트들(143, 145)의 수에 대응한 밸브들(163, 165)의 수에 따라, 밸브 배열(161, 62)에 제공될 수 있다.

각 밸브 배열(161, 162)은 밸브들(163, 165)에 결합된 브릿지(171, 172)를 포함한다. 이 예시에서, 흡기 브릿지(171)는 두 개의 흡기 밸브들(163)에 결합되고, 배기 브릿지(172)는 두 개의 배기 밸브들(165)에 결합된다. 브릿지들(171, 172)은 각 브릿지(171, 172)의 헤드(149)에 대한 움직임이 이에 결합된 개별의 밸브들(163, 165)의 구동 동기화(synchronized operation)를 유발하도록 구성된다.

각 밸브 배열(161, 162)은 또한 개별의 브릿지(171, 172)가 피스톤(130)의 왕복운동에 기인하여 움직이도록 하는 액츄에이터(181, 182)를 포함한다. 따라서, 각 브릿지(171, 172)는 밸브들(163, 165)이 엔진(100)의 구동에 있어서 제 시간에 개별의 포트들(143, 145)을 통해 유체 흐름을 제어할 수 있도록 이동할 수 있다.

액츄에이터들(181, 182)의 구동은 다양한 방식의 범위(range)에서 피스톤(130)의 왕복운동에 근거하여 제어될 수 있다. 예를 들어, 액츄에이터(181, 182)는 크랭크샤프트(110)에 기계적으로 결합되어, 액츄에이터들(181, 182)은 개별의 브릿지들(171, 172)이 크랭크샤프트의 왕복 운동에 따라 이동하도록 하며, 이는 그에 따라서 연결된 피스톤(130)의 왕복운동을 유발시키는 것으로 이해될 것이다. 액츄에이터들(181, 182)은 예를 들어 타이밍 벨트 또는 타이밍 체인 연결을 사용하여, 크랭크샤프트(110)에 회전적으로 결합된 캠샤프트(cam shaft) 상에 캠들의 형태로 제공될 수 있다. 각 캠은 브릿지가 캠의 프로파일에 의존하여 특정한 방식으로 이동하도록, 개별의 브릿지(171, 172)에 결합될 수 있다. 액츄에이터들(181, 182)로서 캠을 사용하는 이러한 배열의 보다 상세한 사항은 이후의 예시에서 설명될 것이다.

선택적으로, 센서(미도시)는 피스톤(130)의 위치 또는 크랭크샤프트의 회전 위치를 감지하기 위해 제공될 수 있으며, 액츄에이터들(181, 182)은 센서에 의해 제공된 신호들에 근거하여 구동될 수 있다. 이 경우, 액츄에이터들(181, 182)은 필요한 감지된 위치에 근거하여 전자-기계적으로 작동될 수 있으며, 이는 기계적으로 결합된 배열보다 높은 수준의 제어 또는 브릿지들(171, 172)의 복잡한 움직임을 가능하게 할 수 있다.

어떤 경우에도, 각 브릿지들(171, 172)은 개별의 포트 그룹(141, 142)의 포트들(143)을 통하여 유체 흐름을 제어하는 밸브들(163, 165)과 결합되므로, 각 포트 그룹(141)을 통해 챔버(121)의 안팎으로 유체 흐름을 동시에 제어하는 것이 가능하다. 이는 엔진(100)이 하나의 그룹 안에 배열된 다중의 흡기 포트들(143) 및/또는 배기 포트들(145)을 구비할 수 있게 하고, 동시에 함께 제어할 수 있게 한다. 그러나, 이 예시에서 포트 그룹(141, 142)이 각각의 흡기 포트들(143) 및 배기 포트들(145)을 구비하나, 이는 필수적인 구성이 아니며, 통상적으로 분리된 흡기 또는 배기 포트 배열들이 상기의 예시에 따라 포트 그룹(141, 142)과 함께 사용될 수 있는 경우도 또한 가능하다.

상기의 왁복운동 엔진(100)의 배열은 복수의 포트들(143, 145)을 제어함과 동시에 비교적 간단한 기계적 배열을 사용하는 효과적인 기술을 제공한다. 가스 흐름을 제어하기 위한 대응 밸브들(163, 165)에 의해 제어되는 다중 흡기 및 배기 포트들(143, 145) 그룹의 사용은 단일 흡기 및 배기 포트들을 사용하는 것과 비교하여 일반적으로 더 유용한데, 이는 밸브들(163, 165)의 크기를 크게 해야 할 필요 없이 가스 흐름 비율을 높일 수 있게 해주어서, 반응속도 및 에너지 효율 보장에 도움을 준다. 그러나, 일반적인 엔진들에서는 다중 밸브 제어는 그 복잡성이 상당히 증가하는 것을 초래한다.

반면, 상기 서술한 배열은 포트 그룹(141, 142)을 따르는 멀티 밸브들(163, 165)이 브릿지들(171, 172)을 사용하는 안정적인 방식으로 동시에 제어되도록 하여, 종래의 밸브 제어 기술에 비해 그 복잡성을 확연하게 감소시킨다. 이러한 배열은 또한 효율을 향상시키는 데에 기여할 수 있는 밸브들(163, 165)의 반응속도에 대하여 실질적인 향상을 가져올 수 있다.

엔진(100)이 공기 엔진으로서 구동되도록 구성되는 본 예시에서, 흡기 브릿지(171)는 대응하는 액츄에이터(181)에 의해 일반적으로 이동되어, 피스톤(130)이 상사점 혹은 그 근처의 위치에서 아래 방향(즉, 헤드(140)로부터 멀어지는 방향)으로의 행정로 이동됨에 따라, 흡기 밸브들(163)은 압축 공기가 흡기 포트들(143)을 통해 챔버(121) 내에 공급되도록 하여, 압축 공기는 피스톤(130)을 구동시키고 크랭크샤프트(110)에 동력을 공급할 수 있다.

도 1a 및 도 1b의 비교해보면, 각 도면은 서로 다른 피스톤 위치를 갖는 엔진(100)을 도시한다. 구체적으로, 도 1a는 피스톤(130)이 상사점을 지난 직후 아래 방향으로의 행정를 막 시작하는 시점이며, 여기서 액츄에이터들(181, 182)은 흡기 및 배기 브릿지들(171, 172)을 올라가는 위치로 위쪽 방향으로 움직이게 한다. 한편, 도 1b는 피스톤(130)이 하사점(상사점의 180도)을 지난 직후 위쪽 방향으로의 행정를 막 시작하는 시점이며, 이 경우 액츄에이터들(181, 182)은 흡기 및 배기 브릿지들(171, 172)을 내려가는 위치로 아래 방향으로 움직이게 한다.

도 1a는 에어 모터에서, 피스톤(130)이 일을 하기 위해 압축 공기에 의해 구동되는 파워 행정 동안의 순간을 도시한 것으로 이해되어야 할 것이다. 도 1e 및 도 1f는 도 1d에 도시된 흡기 밸브 어셈블리(161) 및 배기 밸브 어셈블리(162)을 통한 단면도를 각각 도시한다.

도 1e를 참조하면, 흡기 브릿지(171)의 상승 위치는 흡기 밸브들(163)이 개방되도록 올려지게 하여, 흡기 밸브 씰들(164)이 흡기 포트들(143)로부터 결합 해제된다. 이는 화살표(101)로 도시된 흡기 개구(144)를 통해 흡기 챔버(147) 내로 공급되는 압축 공기가, 흡기 포트들(143)을 통해 챔버(121) 내로 통과하도록 한다. 따라서 압축 가스는 피스톤(130) 상에서 엔진(100)의 파워 행정를 구동하도록 작동할 수 있다.

도 1e의 피스톤(130) 위치와 동일한 위치에서의 배기 어셈블리(162) 부품들을 도시한 도 1f를 참조하면, 배기 브릿지의 상승 위치는 배기 밸브들(165)의 밸브 씰들(166)이 배기 포트들(145)과 결합되도록 하여, 배기 포트들은 압축 가스가 챔버(121)로부터 탈출하는 것을 방지하도록 폐쇄된다.

도 1b는 피스톤(130)이 팽창 가스를 챔버(121)로부터 배기시키는 리턴 행정 동안의 순간을 도시한 것이다. 도 1g 및 도 1h는 흡기 밸브 어셈블리(161) 및 배기 밸브 어셈블리(162)를 통한 대응 단면도들을 제공한다.

도 1g를 참조하면, 흡기 액츄에이터(181)는 흡기 브릿지(171)가 하부 위치 내로 이동하도록 유발되고 그에 따라 하부의 흡기 밸브들(163)에 작용하여, 흡기 밸브 씰들(164)은 흡기 포트들(154)을 폐쇄하고 리턴 행정 동안 챔버(121)로부터 들어오는 압축 가스를 방지한다.

도 1h에서, 배기 브릿지(172)의 하부 위치는 배기 밸브들(165)의 배기 밸브 씰들(166)이 배기 포트들(145)로부터 아래 방향으로 결합 해제되도록 하여, 배기 포트들(145)을 개방하고 배기 가스가 배기 포트들을 통해 배기 챔버(148)로 배기되도록 하며, 그에 따라 화살표(102)에 도시된 바와 같이 배기 개구(146)를 통해 헤드(140)까지 도달한다.

브릿지들(171, 172)은, 실린더 당 복수의 흡기 및/또는 배기 밸브들을 갖는 종래의 엔진들에 비하여, 엔진(100)의 기계적 복잡성을 확연하게 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 각 포트 그룹(141, 142)에서 브릿지(171, 172)를 사용한다는 것은 적합한 액츄에이터(181, 182)가 오직 각 포트 구릅(141, 142)의 제어를 위해 제공되도록 한다는 의미이며, 이는 종래의 디자인과 같이 각 밸브에서 분리된 액츄에이터들(캠, 로커 암(rocker arm) 등)을 사용하는 것과 다르다. 이는 이동 파트들의 수 및 엔진(100)의 설계에 있어 손실 및/또는 실패의 가능한 포인트들을 감소시킬 수 있다.

기계적 복잡성에 있어 상기 언급한 바와 같은 감소에 따라, 밸브 배열들(161, 162)의 이동 크기(mass)는 종래의 동등한 밸브들 및 액츄에이터들의 동등한 이동 크기에 비하여 감소될 수 있고, 이는 포트들(143, 144, 145, 146)에 있어 반응속도를 향상시킬 수 있다. 다시 말해, 브릿지들(171, 172)은 챔버 안팎으로의 유체 흐름을 스위칭(switching) 하는 데에 있어 향상된 속도와 효율을 가능하게 할 수 있다. 이는 결과적으로 엔진(100)이 더 높은 회전 속도에서 구동되도록 하고, 및/또는 포트들(143, 145)이 종래의 배열들에서는 사용될 수 없는 타이밍 변수들(timing parameters) 하에서 제어될 수 있도록 할 것이다. 이는 엔진(100)이 종래 설계에 따른 동등한 엔진에 비하여 보다 높은 성능 및/또는 효율을 가질 수 있게 한다.

기계적으로 결합된 액츄에이터들(181, 182)의 경우, 종래의 밸브 시스템에 비해 기계적 복잡성이 감소된 밸브 배열들(161, 162)은 또한 엔진(100) 상의 밸브들(163, 165)을 구동하기 위한 로드 감소(reduced loading)를 유발할 수 있고, 그에 따라 엔진(100)이 종래의 설계에 비하여 보다 향상된 효율을 가질 수 있게 한다.

액츄에이터들(181, 182)에 의해 유발되는 브릿지들(171, 172)의 특정 무브먼트들은 브릿지(171, 172)에 결합된 밸브들(163, 165)의 형태, 유체 흐름 요구들 등과 같은 요소들의 범위에 의존하여 선택될 수 있음을 알 수 있다. 상기 예시된 바와 같이, 상승하는 브릿지들(171, 172)은, 흡기 밸브들(163)의 경우 헤드(140) 내로 또는 배기 밸브들(165)의 경우 챔버(121) 내로 이동하는 것에 의해 열리도록 구성되는지 여부에 따라, 연관된 밸브들(163, 165)을 개폐하는 데에 능동정인 결과를 가져온다. 선택적으로, 액츄에이터들(181, 182)은 하나 또는 양쪽의 브릿지들(171, 172)이 능동적으로 밸브들(163, 165)을 개폐하기 위하여 헤드(140)를 향해 낮아지게 유발한다. 몇몇 예시에서, 액츄에이터들(181, 182)은 밸브들(163, 165)을 능동적으로 개폐하기 위하여, 브릿지들(171, 172)을 능동적으로 올리고 내리도록 구성될 수 있다.

따라서, 밸브들(163, 165)의 구성 및 액츄에이터들(181, 182)에 의해 유발되는 브릿지들(171, 172)의 무브먼트에 따르는 이들의 특정 개폐 동작은 특정적으로 제한되지는 않으며, 이후의 예시에서 상술될 특정 배열들은 특정 활용 제품들에 있어 이점적일 수 있다.

상기 설술된 배열은 또한 종래의 동작 설계 및 원리와는 다른 밸브들(163, 165)의 사용을 가능하게 한다. 예를 들어, 브릿지들(171)은 밸브들(163, 165)이 밀고 당기는 동작들에 의해 개폐되도록 하며, 이는 액츄에이터들(181, 182) 및 밸브들(163, 165)이 어떻게 구성되는지에 의존한다. 이는 표준 포핏(poppet) 밸브을 통상적으로 사용하는 종래의 근대 밸브형 엔진들에 비하여, 밸브들(163, 165)이 어떻게 포트들(143, 145)을 통해 유체 흐름을 제어하도록 사용되는지에 대하여 매우 큰 활용성(flexibility)을 갖게 한다.

예를 들어, 밸브들(163, 165)의 적어도 몇몇은 헤드(140) 내로 당겨져서 열리도록 구성되어, 밸브들(163, 165)의 일부가 챔버(121) 내로 침범하는 것을 피하도록 구성될 수 있다. 이는 통상적으로 밀려서 열림으로써 씰링(sealing) 플러그가 챔버 내로 침범하게 되어 사용 시 피스톤에 대한 간섭을 피하도록 조심하게 설계될 필요가 있는 표준 포핏 밸브들에 비해, 효과적인 역동작(inverted operation) 구조를 제공한다. 이러한 역동작은 또한 실린더 내에 불필요한 부피(dead volume)를 최소화하는 효율 향상을 가져올 수 있으며, 이는 그렇지 않으면 종래 엔진에서는 밸브들과의 간섭을 피하기 위한 설계가 요구될 것이다. 또한, 이러한 방식의 밸브들(163, 165)의 역동작이 가능한 구성은 밸브들(163, 165)의 개폐를 어시스트하기 위한 엔진(100) 동작에 있어 압력차이의 이점을 가져오도록 설계될 수 있다.

이 경우, 흡기 밸브들(163)은 상기 설명한 역동작을 가지며, 배기 밸브들(165)은 종래의 내연엔진의 밸브들과 유사한 개폐 동작을 가진다.

상기 설명한 브릿지들(171, 172)의 사용은 또한 밸브들(163, 165)이 개폐 위치로 능동적으로 구동되도록 하며, 그에 따라 밸브 부동 현상(valve float effects)을 제거할 수 있으며, 이는 종래의 포핏 밸브를 사용하는 엔진의 고속 동작에서 발생된다. 밸브 부동 현상은 일반적으로 캠에 의해 열리는 경우에 발생되며 스프링에 의해 닫히는 경우에는 발생되지 않는다.

각 포트 그룹(141, 142)을 위한 유체 흐름을 제어하는 밸브들(163, 165)의 특정 개폐 타이밍은 요구되는 엔진(100)의 성능에 따라 선택될 수 있다. 공기 엔진으로서의 엔진(100) 구동에 적합한 타이밍의 특정 예시들은 도 1E 내지 도 1H의 수직 단면도인 도 1I 내지 도 1P에 제공되어, 상사점 위치에 대해 측정된 피스톤 위치에 따른 흡기 및 배기 밸브들(163, 165)의 위치를 보여준다.

도 1I는 상사점 이후의 0도에서 열리는 흡기 밸브들(163)을 보여주며, 즉 이는 흡기 챔버 내로 공급되는 압축 공기가 흡기 포트들(143)을 통해 챔버(121) 내로 지나가도록 함으로써 파워 행정가 개시되는 시점이다. 이러한 구성은 도 1J에 도시된 바와 같이 상사점 이후 90도까지 계속되어, 흡기 밸브들(163)이 도 1K에 도시된 바와 같이 닫히는, 상사점 이후 대략 156도까지 계속된다. 그 후 짧은 순간에, 배기 밸브들(165)은 상사점 이후 165도를 보여주는 도 1L에 도시된 것과 같이 열린다. 배기 밸브들(165)은 크로스-블리드(cross-bleed), 즉 그에 따른 압축 공기의 낭비를 방지하도록 흡기 밸브들(163)이 닫힌 후에만 열린다.

도 1M을 참조하면, 배기 밸브들(165)이 열려 있는 채로 피스톤(130)은 상사점 이후 180도로 이동하며(하사점), 그에 따라 리턴 행정이 시작되고, 이제 챔버(121) 내 팽창 가스가 배기 포트들(145)을 통해 배기된다. 도 1N은 상사점 이후 계속되는 270도까지의 리턴 행정을 도시한다. 도 1O를 참조하면, 상사점 이후 355도에서, 배기 밸브들(165)은 다음의 파워 행정을 준비하기 위해 닫힌다. 피스톤(130)은 최종적으로 도 1P에 도시된 바와 같이 상사점으로 돌아오게 되며, 흡기 밸브들(163)은 다시 열림으로써, 엔진(100)의 다음 사이클이 시작된다.

엔진(100)은 알려진 엔진 제조 기술과 종래의 재료들을 사용하여 제조되는 것으로 이해될 것이다. 일 예시에서, 실린더(120) 및 챔버(121)는 크랭크샤프트(110)를 포함하는 크랭크케이스(crankcase)(101)의 일부로서 형성될 수 있다. 크랭크케이스(101), 실린더(120), 피스톤(130), 커넥팅로드(131), 헤드(140), 밸브 어셈블리들(161, 162)의 일부 등과 같은 엔진 부품/어셈블리들은 구동적 요구들에 따라, 강, 알루미늄 합금, 세라믹, 플라스틱 등을 포함하는 어떠한 적절한 재료로부터 제조될 수 있다.

바람직한 제조 기술들의 세부 사항 및 구동 특징들의 예시는 엔진의 실시예의 상세 예시에 따라 이하에서 설명될 것이다.

상기 설명된 왁복운동 엔진(100)의 특징들을 갖는 공기 엔진(200)의 예시가 도 2a 내지 도 2e를 통해 설명될 것이다. 앞선 예시에서 설명된 것과 유사한 부품들은 앞서 사용된 도면번호에서 100씩 더하여 유사한 번호로 참조되어 있다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 공기 엔진(200)은 네 개의 실린더들(220)이 장착되어 있는 중앙 크랭크레이스(201)를 포함하는 것을 볼 수 있다. 본 예시에서, 크랭크케이스(201)는 나사와 같은 적절한 체결요소들을 사용하여 함께 체결된 알루미늄의 기계 플레이트로부터 형성된다. 그러나, 다른 크랭크케이스의 제조 기술의 범위가 공기 엔진(200)을 위한 특정 설계 요구들에 따라 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 엔진 마운트들(202)은 설치 목적으로 크랭크케이스(201)에 장착될 수 있다.

크랭크케이스(201)는 크랭크케이스(201) 구조에 부착된 베어링들(미도시)에 의해 통상적으로 지지되는 크랭크샤프트(210)을 내장한다. 롤러 베어링들은 감소된 마찰을 갖고 우수한 지지 능력을 보여주나, 볼 베어링 도는 저널(journal) 베어링과 같은 다른 타입의 베어링들도 사용될 수 있을 것이다.

공기 엔진(200)의 네 개의 실린더들(220)은 크랭크케이스(201)로부터 두 개의 뱅크들로 연장한다. 본 예시에서, 공기 엔진(200)은 V4 구성을 갖는다. 다시 말해, 공기 엔진(200)의 네 개의 실린더들은 네 개의 실린더들(220) 및 그에 대응하는 피스톤들(230)이 크랭크샤프트(210)에 대하여 "V"형으로 배열된다. 이 경우, "V"형의 한 획의 실린더들(220)의 각각의 뱅크들은 다른 획과 90°의 각을 가지고 서로 오프셋된다.

실린더들(220)은 알루미늄으로 형성되거나 챔버 내에서 사용되는 구동 조건들에 따라 적절한 다른 재료들로 형성될 수 있다.

도 2d는 크랭크케이스(201)가 제거되어 크랭크샤프트(210) 및 피스톤들(230)의 상세를 나타내는 공기 엔진(200)의 도면이다. 피스톤(230)은 각 실린더(220) 내에 제공되고 커넥팅 로드(131)을 이용하여 크랭크샤프트(210)에 부착된다.

크랭크샤프트(210)은 두 개의 웹들(212) 사이에서 각각 연장하고 크랭크샤프트(210)의 회전축으로부터 오프셋되어 있는 두 개의 크랭크핀들(211)을 포함한다. 크랭크샤프트(210)의 보다 상세한 사항은 도 12a 및 도 12b에 도시될 것이다.

크랭크핀들(211)은 각각 두 개의 커넥팅 로드들(231)에 결합되고, 이는 실린더들(220)의 뱅크들에 의해 "V"형으로 형성된 각각의 획에서 개별의 피스톤(230)에 차례대로 결합된다. 크랭크핀들(211)은 서로 180도로 각각 오프셋되며, 이는 실린더들(220)의 뱅크들 사이에서 90도의 측면에서 크랭크샤프트(210)의 회전 위치에 대하여 네 개의 피스톤들(230) 각각 사이에서 90도 오프셋을 제공한다. 이는 개별의 실린더들(220) 내에서 피스톤들(230)의 위치의 스태거 효과(effect of staggering)를 가져 공기 엔진(200)에 의한 파워 전달을 가능하게 하고, 적절한 밸브 타이밍에서 파워 행정의 오버래핑(overlapping)이 공기 엔진(200)을 스타터 모터 등과 같은 요구없이 셀프-스타트될 수 있도록 한다.

실린더(220), 피스톤(230) 및 헤드(240) 사이의 상호작용의 상세한 사항은 도 2e의 단면도에서 볼 수 있다. 피스톤(230)은 커넥팅 로드(231)에 의해 크랭크핀(211)에 연결되는 것을 볼 수 있다. 통상적으로 베어링(232)은 커넥팅 로드(231)의 일 단부와 크랭크 핀(211) 사이의 연결부에 제공된다. 거젼 핀(gudgeon pin)(233)은 피스톤(230)과 커넥팅 로드(231)의 다른 단부를 연결하는 데에 사용되고, 다른 베어링(234)이 또한 이 연결부에 제공될 수 있다.

본 예시에서, 피스톤들(230)은 예를 들어 아세틸과 같은 엔지니어링 플라스틱 재료로 형성된다. 그러나, 다른 어떤 적절한 재료가 사용될 수도 있다. 피스톤(230)의 설계에서 적절한 경량 특징들의 형태로 결합된 비교적 경량의 재료의 사용은 피스톤들(230)의 무게를 줄여 공기 엔진(200)의 구동 시 피스톤들(230)의 이동에 요구되는 에너지를 줄이는 데에 도움을 준다. 본 예시에서, 피스톤들(230)은 씰 가이드들(235) 내에 위치된 공압(pneumatic) 씰들(미도시)에 장착된다. 가이드링 씰들과 같은 다른 타입의 씰들이 사용될 수도 있다. 어떠한 경우에도, 이는 공기 엔진(200)이 윤활 시스템의 요구없이 구동될 수 있게 한다. 그럼에도 불구하고, 종래의 윤활 피스톤 배열들도 사용될 수 있을 것이다. 피스톤들(230)은 원하는 압축 공기 흐름과 사용 시의 압력 활용 특징들을 제공할 수 있는 오목한 피스톤 면들을 포함할 수 있다.

개별의 헤드(240)는 각 실린더(220)에 장착되고, 각 헤드(240)는 도 2a 및 도 2b에 일반적으로 도시된 바와 같이, 개별의 흡기 밸브 배열(261) 및 배기 밸브 배열(262)을 포함하며, 그 구동은 앞선 예시에서 설명한 바와 동일하다.

헤드(240)는 표준화된 디자인을 가져야 하므로, 동일한 헤드(240) 부품이 공기 엔진(200) 상의 그 위치에 관계없이 각 실린더(220)에 장착될 수 있다. 각 실린더(220) 상의 일반적인 헤드(240) 디자인의 사용은 공기 엔진을 제조하는 데에 요구되는 특별한 부품들을 감소할 수 있게 하도록 요구될 수 있다.

헤드(240)는 플렉서블(flexible) 포지셔닝을 위하여 두 면에 개별의 흡기 개구(244) 및 배기 개구(246)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 실린더 뱅크들의 하나에 실린더들 상에 장착된 헤드들(240) 상에, 흡기 매니폴드 및 배기 매니폴드는 개별적으로 헤드(240)의 일 면에 흡기 개구(253) 및 배기 개구(254)에 연결될 수 있고, 커버 플레이트(250)는 그 면의 개구들(244, 246) 중 적어도 하나에서 커버를 위해 헤드(240)의 다른 면에 부착될 수 있다. 다른 실린더 뱅크 상의 헤드들(240)의 개구들(244, 246)의 사용은, 헤드(240)의 다른 면 상의 개구들(253, 254)에 연결된 매니폴드들을 가짐으로써 반대로 될 수도 있다(reversed). 본 예시에서, 커버 플레이트(250)는 흡기 개구(244)를 연 상태로 하여, 압축 공기가 각 면으로부터 헤드(240)에 공급될 수 있도록 하며, 배기 개구(146)는 닫음으로써 배기 공기는 도 2b에 부분적으로 도시된 바와 같이 배기 매니폴드 피핑(pipping)(251)을 통해 오직 한 면에서 헤드(240)로부터 배기되도록 한다.

헤드(240)는 다른 밸브 타이밍 특징들을 허용하도록 다른 밸브 배열(261, 262) 구성들을 가질 수 있다. 각 헤드(240)는 기계적 알루미늄으로 형성될 수 있으나, 다른 재료들이 사용될 수도 있을 것이다.

본 예시에서 도시된 헤드(240)는 단일 파트로 형성되나, 헤드(240)가 멀티 파트들로 형성되는 것도 가능한 것으로 이해될 것이다. 이 경우 단일 파트로 기계화될 수 없는 복잡한 내부 설치 지오메트리들에 가능할 수 있다. 헤드(240)의 복수 파트들은 어떠한 적절한 체결 기술을 이용하여 기계적으로 함께 체결될 수 있다. 개스킷은 헤드(240) 파트들 사이에 위치되어 파트들을 통해 구획될 수 있는 설치의 우수한 밀봉을 보장할 수 있다.

본 예시는 실린더(220) 및 헤드(240)를 제공하기 위한 개별 부품들을 포함하나, 몇몇 실시예에서는 실린더(220) 및 헤드(240)는 단일 파트로서 일체로 형성될 수 있으며, 이는 주조 및/또는 기계 공정들을 이용하여 형성될 수 있다.

본 예시는 또한 각 실린더(220)에 대해 분리된 헤드(240)를 제공하나, 복수의 실린더들(220)의 뱅크가 상기 언급한 특징들을 각각 갖는 복수의 효과적인 헤드들(240)을 일체로 하여 단일 부품으로 장착될 수도 있다. 이는 각 실린더(220) 상의 표준화된 헤드들(240)을 이용하는 공통된 이점들을 제거할 수 있으나, 무게 경량화를 가능하게 하고 엔진들(200)의 대규모 생산(high-volume production)에 유용할 수 있다.

도 2e의 단면도는 헤드(240) 내에 형성된 배기 포트에 위치된 배기 밸브들(265)의 상세를 도시한다. 각각의 밸브들(263, 265)은 밸브 가이드(267)를 이용하여 헤드(240) 내에 지지된다. 밸브 가이드들(267)은 밸브들(263, 265)을 위한 안정적인 측면 지지를 제공하여, 포트들(243, 245)에 대해 정교하게 자리잡고, 부드러운 개폐 동작을 가능하게 한다.

본 예시에서, 밸브 가이드들(267)은 제거 가능하며, 이들이 흡기 밸브들(263) 또는 배기 밸브들(265)을 지지하도록 사용되는 것에 관계없이, 동일한 구성을 갖는다.

도 2e에서, 흡기 및 배기 브릿지들(271, 272)은, 브릿지들(271, 272)을 이동시키기 위한 개별의 액츄에이터들로서 사용되는 흡기 및 배기 캠들(281, 282)에 의해 이동된다. 특히, 캠들(281, 282)은 브릿지들(271, 272)에 결합된 하나 이상의 캠 팔로워들(277)과 결하고, 대응 피스톤(230)의 회전 위치를 기초로 하는 캠샤프트(280) 상에서 회전한다. 각 캠 팔로워(277)는 개별의 브릿지(271, 272)에 부착된 축 상에 지지된 원통형 롤러의 형태로 제공될 수 있다. 밸브 배열들(261, 262) 구동의 세부 사항은 적절한 때에 제공될 것이다.

캠샤프트(280) 및 설치된 캠들(281, 282)의 보다 상세한 사항들은 도 13에서 볼 수 있다. 본 예시에서, 흡기 캠(281)은 흡기 브릿지(271)를 들어올림으로써 대략 156도로 흡기 밸브(263)를 개방하는 로브(lobe) 디자인을 갖는다. 피스톤의 파워 행정의 대부분은 종래의 공기 엔진 디자인에 비해 피스톤(130)으로의 압축 가스 폭발의 특별히 긴 시간으로 확장할 것이다. 배기 캠(282)은 배기 브릿지(272)를 들어올림으로써 대략 170도로 배기 밸브(265)를 닫는 로브 디자인을 갖는다. 흡기 캠(281) 및 배기 캠(282)은 캠샤프트의 동일면 상에 일반적으로 돌출하는 로브들을 가져서 배기 밸브들(265)이 닫히고 흡기 밸브들(263)이 열리도록 하여, 파워 행정 시 압축 가스의 세어나감을 방지한다.

도 2c는 다수의 커버들이 부착된 공기 엔진(200)을 도시한다. 이 커버들은 공기 엔진(200)의 내부 부품들을 외부 환경으로부터 보호하고, 및/또는 오퍼레이터들이 내부 부품들과 접촉해 오는 것으로부터 보호하도록 사용될 수 있다.

실린더 커버들(205)은 원하는 열적 특성들 및/또는 그 안에 위치된 실린더(220) 및 피스톤(230)에 대한 보호 배리어를 제공하기 위하여, 액츄얼 실린더들(220)을 덮는 데에 제공될 수 있다. 헤드 커버들(206)은 흡기 및 배기 밸브 배열들(261, 262)의 부품들을 덮도록 제공되어, 이동 파트들과 의도치 않은 접촉에 기인한 위험요소들을 완화시키고, 및/또는 기계적 오류가 나는 경우에 공기 엔진(200)으로부터 떨어지는 부품들의 위험을 감소하도록 도와준다. 타이밍 풀리(pulley) 커버(207)는 또한 핀치 하자드(pinch hazards)를 보호하거나, 또는 오류 시 크랭크샤프트(210)을 캠샤프트(280)에 결합하도록 사용되는 타이밍 벨트를 보호하도록 제공될 수 있다.

밸리(valley) 커버(208)는 실린더들(220)의 뱅크들 사이의 신장(spanning)을 제공하며, 압축 공기를 흡기 개구들(244)에 제공하거나 헤드들(240)의 배기 개구들(246)로부터 배기 공기를 제거하기 위한 매니폴드 배관(tubing)(미도시)을 보호할 수 있다. 이 경우 밸리 커버는 컷아웃들(209)을 포함하며, 이를 통해 흡기 매니폴드 배관은 흡기 개구들(244)로부터 루트된다(routed).

도 3a 내지 3d는 공기 엔진(200)의 헤드(140) 및 대응하는 밸브 어셈블리들(261, 262)의 다른 측면을 도시한다.

흡기 밸브 어셈블리(261)는 흡기 브릿지(271)에 결합된 두 개의 흡기 밸브들(263)을 포함하며, 배기 밸브 어셈블리(262)는 단일 배기 브릿지(272)에 결합된 네 개의 배기 밸브들(265)을 포함하여, 두 개 이상의 밸브들(265)을 포함하는 밸브 그룹을 가지는 경우를 예시한다. 각 밸브(263, 265)는 밸브 가이드(267)에 의해 헤드(240) 내에 지지되며, 이는 나사형으로 걸리는(shouldered, threaded) 장착 시스템을 이용하여 헤드(240)에 대해 능동적으로 고정되며, 그러면 스터드(stud) 플레이트들(278)은 밸브 가이드들(267)에 부착된다. 밸브들(263, 265)은 밸브 가이드들(267)을 통해 길이 방향으로 형성된 구멍들을 통하여 슬라이드 식으로 이동하여, 브릿지들(271, 272)의 움직임에 따라 밸브들(263, 265)의 선형 모션만이 허용된다. 그러나, 밸브들(263, 265)의 이러한 선형 모션은 필수적인 것은 아니며 다른 선택 가능한 배열들이 밸브들(263, 265)의 비선형 모션을 위해 제공될 수 있다.

각 브릿지(271, 272)는 헤드(240)의 윗면에 결합된 스터드 플레이트들(278)로부터 바깥 방향으로 연장하는 스터드들(273)에 의해 지지된다. 브릿지들(271, 272)은 스터드들(273)에 결합되어, 브릿지들(271, 272)은 스터드들(273)의 길이 방향 축에 정렬되는 방향으로 움직일 수 있으며, 이 경우 이러한 움직임 방향은 또한 개별 피스톤(230)의 왕복 방향으로 정렬한다. 각 스터드(273)는 헤드(240)를 향해 브릿지들(271, 272)을 기울이기 위한 기울임 부재를 위한 리테이너(retainer)(275)를 포함한다. 본 예시에서, 스프링들(274)이 각 스터드(273) 상에 제공되고, 이 스프링들(274)은 기울임 부재들로서 사용된다. 그러나 몇몇 예시에서, 기울임 부재는 불필요한 경우도 있으며, 브릿지(271, 272)는 개별의 밸브들(263, 265)을 개폐하기 위한 액츄에이터에 의해 양쪽 방향으로 이동될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 스프링들(274)은 닫힘 동작의 충격을 완화하고 마모를 감소시키는 데에 도움이 되도록 제공될 수 있다.

각 브릿지(271, 272)의 움직임들은 캠샤프트(280) 상에 설치된 캠들(281, 282)에 의해 유발된다. 캠샤프트 타이밍 풀리(283)는 캠샤프트(280)의 일 단부에 설치되고, 타이밍 벨드(미도시)는 캠샤프트 타이밍 풀리(283)를 크랭크샤프트(210)의 단부에 설치된 캠샤프트 타이밍 풀리(214)에 연결한다. 도 2b를 참조하면, 크랭크케이스(201)는, 타이밍 벨트(미도시)가 캠샤프트 타이밍 풀리(283) 및 크랭크케이스(201) 내에 위치된 캠샤프트 타이밍 풀리(214)의 하나 사이를 연장하도록 하는 슬롯(203)을 포함한다.

본 예시에서, 개별의 풀리들(283, 214)은 일대일 관계를 제공하기 위하여 기어 톱니의 크기 및 수에 맞도록 제공되며, 크랭크샤프트(210)의 하나의 완성된 구성(revolution)은 캠샤프트(280)의 하나의 완성된 구성을 유발한다. 이는 공기 엔진(200)의 구동을 위해 적합한 2 행정 밸브 타이밍을 제공한다. 이는 내연 엔진의 요구에 따라, 4 행정 타이밍에 사용될 수 있는 2:1 타이밍 관계를 갖는 것도 가능하다.

도 3c를 참조하면, 캠들(281, 282)은 캠샤프트(280)이 회전함에 따라 개별의 브릿지들(271, 272)을 들어올린 상태로서, 하나 이상의 캠 팔로워(277)가 브릿지들(271) 상에 제공되어 브릿지들(271, 272)이 회전하는 캠 프로파일에 대하여 부드럽게 이동하도록 한다. 브릿지들(271, 272)은 캠들(281, 282)에 형성된 로브들에 의해 상승 위치로 직접적으로 올려지며, 반대로 스프링들(274)은 브릿지들(271, 272)을 하강 위치를 향해 기울여져서 캠들(281, 282) 및 개별 캠 팔로워들 사이의 결합을 유지하도록 작동한다.

각 브릿지(271, 272)에 제공된 스프링들(274)은 개별 브릿지의 요구되는 구동에 따라 서로 다른 강성(stiffness)를 가질 수 있다. 예를 들어, 흡기 브릿지(271)에 사용되는 스프링들(274)은 비교적 낮은 스프링 강성을 가질 수 있으며, 이는 흡기 밸브들(263)은 흡기 챔버(247) 내 압축 가스가 닫힌 위치로 흡기 브릿지(271)에 의해 능동적으로 들어올려져 열릴 때까지 흡기 밸브들(263)을 유지하는 경향을 가지기 때문이다.

앞서 설명한 바와 같이, 흡기 밸브들(263)의 역동작이 공기 엔진 실시예에서 보다 적절하게 사용될 수 있다. 본 예시에서, 흡기 밸브들(263)의 개방은 흡기 액츄에이터(281)에 의해 흡기 브릿지(271)을 위쪽 방향으로 움직이면서 능동적으로 제어되고, 흡기 밸브들(263)은 스프링들에 의해 닫힌다. 스프링들(274)은 압축 가스가 흡기 밸브들(263)의 닫힌 위치에서 유지하는 것을 도와주기 때문에 비교적 약한 스프링 강성을 가질 수 있다.

흡기 브릿지(271)의 스프링들(274)을 위한 특정 스프링 강성은 흡기 밸브들(263)의 표면적에 대해 선택될 수 있으며, 이는 가압 로드가 닫힌 상태로 인가될 수 있어, 적절한 닫힘 힘이 요구되는대로 인가되지만, 흡기 밸브들(263)을 열기 위한 흡기 브릿지(271)에 인가되는 추가 힘의 필요를 방지해야 하기 때문이다. 이는 흡기 밸브들(263)이 사용 시에 높은 반응속도를 가지는 것을 도울 수 있다. 반면, 배기 밸브들(265)이 배기 브릿지(272)에 의해 닫힌 위치 내로 능동적으로 올려지지 않을 때, 배기 브릿지(272)에 사용되는 스프링들(274)은 챔버(221) 내 배기 밸브(265)에 가해지는 힘보다 조금 더 큰 힘을 인가하도록 계산된 장력을 필요로 한다.

어떤 경우에도, 구동 시 인가된 가스 압력들을 고려하여 각 브릿지(271, 272)를 위한 스프링들(274)의 적절한 선택은 원하는 속도의 밸브 개폐 동작을 보장하는 데에 도움을 줄 수 있다. 또한, 밸브들(263, 265) 및 대응 포트들(243, 245)의 특정 디자인 구성에 결합된 적절한 스프링(274)의 선택은 일반적인 많은 밸브 문제들, 예를 들어 밸브 바운스(마모), 밸브 스트레칭을 제거하는 데에 도움을 줄 수 있으며, 배기 밸브(265)의 닫힘 동작에서 완충 효과를 가질 수 있고, 흡기 밸브(263)를 위한 열림 힘의 요구를 줄일 수 있다.

선택적인 배열에서, 흡기 밸브들(263)은 배기 밸브들(265)과 유사한 구성을 가질 수 있어, 이들은 열릴 때에 챔버(221) 내로 아래 방향으로(즉, 피스톤(230)을 향하여) 이동하고 닫힐 때 위쪽 방향(즉, 피스톤(230)과 멀어지도록)으로 이동하는 종래의 일반적인 포핏 밸브 씰을 가질 수 있다. 이러한 방식으로 구성된 흡기 밸브들(263)의 구동은, 흡기 액츄에이터(281)(즉, 캠 등)가 배기 밸브들(265)에 따라 헤드로부터 멀어지게 위쪽 방향으로 흡기 브릿지(271)을 이동시킬 때, 흡기 밸브들(263)을 능동적으로 닫도록 할 수 있다.

언급한 선택적인 흡기 밸브(263) 구성에서의 능동적 닫힘 동작은 공급된 압축 가스에 기인하여 흡기 밸브들(263)이 의도치 않게 열리는 것을 방지할 수 있다. 흡기 밸브들(263)은 이 경우 기울임 부재(즉, 스프링)의 영향 하에 열리게 되며, 이러한 열림 동작은 압축 가스의 공급에 의해 도움을 받는다. 몇몇 환경에서, 기울임 부재는 필요하지 않을 수 있으며, 열림 동작은 압축 공기에 의해서만 영향을 받도록 할 수 있으나, 스프링은 닫힘 동안 완충 효과를 제공하고 열림 동작에서 향상된 반응 속도를 제공하는 데에 기여할 수 있다.

배기 밸브들(265)에서 일반적인 종래의 포핏 밸브 씰 디자인을 사용에도 불구하고, 앞서 언급한 선택적인 흡기 밸브(263) 구성에서는, 브릿지(271)의 사용에 기인한 특정한 개폐 체계는 종래의 내연 엔진에서의 포핏 밸브 방식과 비교하여, 밸브가 능동적으로 열리고 스프링 장력에 의해 닫힘으로써 개선된다. 따라서, 엔진(200)을 위한 밸브 구동은 종래 엔진을 위한 스프링보다 적은 의존성을 갖는다.

어느 경우에도, 스프링들(274)은 헤드로부터 완전히 바깥에 위치될 수 있고, 따라서 공기 엔진(200)의 사용 동안 공기 흐름 또는 온도 흐름에 노출되지 않을 수 있다. 또한, 이 예시에서 스프링들(274)의 외부 배열은 헤드(240)을 통한 공기 흐름을 제한하지 않는다.

공기 엔진(200)에서 밸브들(263, 265)의 개폐 동작들은 피스톤(230)의 왕복 방향으로 정렬될 수 있다. 다만 필수적이진 않으나, 이는 피스톤의 왕복운동에 대해 실질적인 각을 가지고 작동하는 밸브들을 갖는 종래의 많은 엔진 디자인들에 비하여 기계적으로 단순한 배열을 가지는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 모든 밸브들(263, 265)의 구동을 제어하는 흡기 및 배기 브릿지들(271, 272)은 동일한 캠샤프트(280) 상에 제공되는 캠들(281, 282)을 이용하여 이동될 수 있다. 반면, 종래의 각진 밸브 배열들은 보통 각 밸브를 위한 분리된 캠들을 갖고, 실린더의 한쪽에 밸브들을 위한 분리된 캠샤프트를 필요로 한다. 그러나, 여전히 그러한 분리된 캠샤프트들은 엔진의 다른 선택적 실시예들에서 각 브릿지(271, 272)를 작동시키도록 사용될 수도 있다.

또한, 피스톤(230) 양면, 브릿지들(271, 272) 및 개별의 액츄에이터들(281, 282)에 대한 밸브들(263, 265)의 선형 동작은 직접적인 힘(각도상 힘(angular force)과 상반됨)을 인가함에 따라 향상된 에너지 효율을 제공하도록 도움을 주며, 또한 향상된 마모 특성을 제공할 수 있다.

도 2a로 돌아와서, 크랭크샤프트(280)은 헤드(240) 상에 설치된 캠샤프트 베어링들(284)에 의해 지지될 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 캠샤프트 베어링들(284)은 헤드(240) 상에 캠샤프트(280)의 상대 위치를 조절하도록 구성되어, 서로 다른 크기의 로브들을 갖는 캠(281, 282) 디자인을 가능하게 하고, 밸브들(263, 265)을 위한 서로 다른 개방 동작을 유발한다. 본 예시에서, 단일 캠샤프트(280)은 공기 엔진(200)의 실린더 뱅크를 가로지르는 두 개의 실린더들(220)을 위해 이용된다. 이는 단일 타이밍 풀리(283)가 각 실린더 뱅크를 위해 사용되도록 한다. 그러나, 분리된 캠샤프트들이 각 실린더를 위해 제공될 수도 있다.

밸브 타이밍은 크랭크샤프트(210) 위치에 대해 캠샤프트(280)을 회전시키는 밸브(263, 265) 개폐 타이밍을 빠르게 하거나 늦추도록 조절될 수 있다. 이는 또한 크랭크샤프트(210)에 대해 180도로 캠샤프트(280)을 회전시키는 역방향으로, 공기 엔진(200)을 구동하는 것도 가능하다.

도 3d는 실린더(220)를 간섭하는 헤드(240)의 아래면을 상세히 보여준다. 실린더 캡(249)은 챔버(221)를 닫기 위해 실린더(220)와 결합되도록 제공된다. 포트들(243, 245)은 실린더 캡(249) 내에 형성된다. 이 경우, 두 개의 흡기 포트들(243)은 네 개의 배기 포트들(245)에 비해 현저히 작은 직경을 갖는다.

배기 포트 그룹(242)과 비교하여, 다른 직경 및 포트의 수를 갖는 흡기 포트 그룹(241)은 챔버(121)로 들어갈 수 있는 가압 가스와 비교하여, 챔버(121)로부터 제거되는 배기 가스의 부피 흐름율이 확연하게 크도록 한다. 이는 공기 엔진(200)의 파워 행정 동안 압축 가스의 팽창을 설명하는 것으로 이해될 것이며, 즉 챔버(121)를 출입하는 가스의 전체 양은 거의 동일할 것이다. 따라서, 성능 효율은 흡기 포트들(243)에 비해 더 큰 부피의 배기 포트들(245) 또는 더 많은 개수의 배기 포트들(245)을 통해 배기하는 것에 의해 얻어질 것이다.

도 3e는 도 3d와 유사하나, 헤드(240)에 숨겨진 밸브 지지부들(267) 및 밸브들(263, 265)의 상세한 사항을 도시한다.

헤드(240), 밸브들(263, 265) 및 그들의 개별의 브릿지들(271, 272)의 전체 디자인은 최대의 개폐 동작을 달성하기 위하여 밸브들(263, 265)의 움직임을 최소화하도록 할 수 있다. 이는 보다 방어적인 디자인의 캠 로브들을 갖는 캠들(281, 282)을 사용할 수 있도록 하여, 보다 부드러운 작동 및 마모의 감소의 이점을 제공할 수 있다.

헤드(240)의 구성 특징들은 도 6a 내지 도 6c에 상세히 볼 수 있다. 본 예시에서, 헤드(240)는 드릴 공정 및 다른 기계 공정들을 통해 알루미늄 솔리드 블록(block)으로부터 제조된다. 흡기 개구들(244) 및 그 사이에 정의되는 흡기 챔버(248)는 헤드(240)의 폭을 가로지르는 구멍을 뚫음으로써 형성될 수 있고, 배기 개구들(246) 및 배기 챔버(249)는 유사한 방식으로 형성될 수 있다.

가이드 구멍들(601)은 헤드(240)의 상부 표면으로부터 뚫어져 형성될 수 있고, 배기 구멍들(604)은 배기 포트들(245)을 형성하기 위하여 헤드(240)의 깊이 방향으로 계속 뚫어져 형성될 수 있다. 헤드(240)의 아래면 상에는 배기 포트(245)의 숄더부가 배기 밸브 시트(605)를 형성하도록 기계적으로 형성될 수 있다. 흡기 포트들(243)을 위해, 흡기 구멍들(604)은 항상 동일한 직경으로 헤드(240)를 통해 연장하지는 않으나, 헤드의 아래면까지 가지는 않고, 입구 밸브들(263)의 밀봉을 허용하기 위한 흡기 밸브 시트들(603)을 형성하도록 재료의 고리(annulus)를 남긴다.

본 예시는 단일 파트 구성의 헤드(240)를 보여주나, 앞서 언급한 바와 같이 멀티 파트 구성을 이용한 보다 복잡한 내부 구조로 형성될 수도 있다.

헤드(240)는 실린더 구성에 관계없는 표준 파트로서 사용될 수 있는 대칭 구조 배열을 가진다. 또한, 이러한 디자인은 다른 타입의 밸브들(263, 265) 또는 다른 구동 체계에도 사용할 수 있도록 하여 향상된 활용성을 제공한다.

흡기 브릿지(271)의 세부 사항은 도 7a 및 도 7b에서 볼 수 있다. 흡기 브릿지(271)는 단일의 흡기 브릿지 바디(701)로부터 형성된다. 흡기 밸브 구멍들(702)은 흡기 밸브들(263)이 브릿지에 결합되도록 하며, 지지 구멍들(703)은 흡기 브릿지(271)가 도 3a 내지 도 3d에 도시된 것처럼 스터드들(273) 상에 지지되도록 제공될 수 있다. 지지 구멍들(703)은 스프링들(274)을 수용하기 위해 그 길이의 대부분을 차지하도록 확장된 직경을 가진다. 흡기 브릿지(271)는 또한 컷아웃(704)의 한쪽 면 상의 캠 팔로워 지지 구멍들(276)에 의해 지지되는 축 상에 일반적으로 설치되는 캠 팔로워(277)를 유지하기 위한, 캠 팔로워 컷아웃(704)을 포함한다.

배기 브릿지(272)의 세부 사항을 도시하는 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 배기 브릿지(272)는 일반적으로 흡기 브릿지와 유사한 구성을 가지나, 네 개의 배기 밸브들(265)을 수용하도록 적용되는 점이 다르다. 그에 따라, 배기 브릿지(272)는 그 캠 팔로워 지지 구멍들(276)을 통해 정의되는 중앙 평면에 대하여 대칭적으로 이격되어 있는, 네 개의 배기 밸브 구멍들(802)을 포함한다. 이 경우, 흡기 브릿지(271)로 사용되는 유사한 구성의 두 개의 캠 팔로워들(277)을 유지하기 위한 두 개의 캠 팔로워 컷아웃(804)이 있다. 지지 구멍들(803)은 또한 흡기 브릿지(271)에 사용되는 것과 유사하게, 특정 파트들을 최소화하도록 유지하는 것을 도와준다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 흡기 밸브들(263)은 흡기 브릿지(271) 상의 개별의 흡기 밸브 구멍(702)을 통해 통과하는 밸브 스템(stem)(901)을 포함한다. 흡기 밸브들(263)은 어느 알려진 기술을 이용하여 흡기 브릿지(271)에 결합될 수 있고, 그 결합은 나삿니 부분 및 너트들, 또는 다른 적절한 체결요소들을 사용하여 조정될 것이며, 그에 따라 흡기 밸브(263)의 개폐 동작을 적절히 조절할 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 예시에서 흡기 밸브들(263)은 종래의 포핏 밸브들과 비교하여 역동작을 가지며, 이는 닫힌 상태에서 압축 가스에 대한 향상된 밀봉을 제공할 수 있다. 흡기 밸브(263)는 그 아랫면에 흡기 밸브 씰(264)을 정의하는 흡기 밸브 플러그(902)를 포함하며, 이는 헤드(240) 내에 흡기 밸브 시트(603)와 결합하도록 구성된 테이퍼드(tapered) 흡기 밸브 시트 결합부(903)에 의해 둘러싸인다.

보다 일반적인 밸브 구성을 갖는 배기 밸브(265)는 도 10a 및 도 10b에 도시된다. 배기 밸브(265)는 배기 밸브 플러그(1002)로부터 연장하는 배기 밸브 스템(1001)을 포함하며, 배기 밸브 씰(264)은 아랫면에 정의되나, 본 예시에서 배기 밸브 시트 결합부(1003)는 배기 밸브 플러그(1002)의 반대편 윗쪽에 형성된다. 따라서, 배기 밸브 시트 결합부(1003)는, 배기 밸브(265)가 배기 브릿지(272)에 의해 올라가면, 헤드(240)의 아랫면 상에 형성된 배기 밸브 시트(605)와 결합한다.

도 11a 및 도 11b는 사용 시 각각 지지 및 가이드 밸브(263, 265)로 사용되는 밸브 가이드(267)의 세부 사항을 도시한다. 밸브 가이드(267)의 가이드 바디(1101)는 중앙 가이드 구멍(1102)을 포함하며, 이를 통해 지지된 밸브(263, 265)의 스템(901, 1001)이 사용 시 선형적으로 이동할 수 있다. 가이드 플랜지들(1103)은 밸브 가이드(267)가 대응 가이드 구멍들(601)에 위치되도록 사용되며, 이는 헤드(240)에 형성된 흡기 및 배기 구멍들(602, 604) 내에 밸브 가이드(267)를 위치시키기 위한 숄더 특징부들을 포함할 수 있다.

본 디자인의 밸브 어셈블리들(261, 262)은 브릿지(271, 272)를 제공하는 분리된 부품들의 어셈블리를 포함하도록 도시되었으나, 몇몇 실시예에서는 앞서 언급된 밸브 어셈블리들(261, 262)의 이러한 및 또다른 요소들이 일체로 형성될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 공기 엔진(200)의 V4 구성은 네 개의 각 피스톤들(230)의 왕복운동이 서로에 대하여 90도로 오프셋되도록 구성된다. 도 2d에 도시된 크랭크샤프트(210) 위치에서 밸브들(263, 265)의 내부 위치들을 따르는 네 개의 피스톤(230)의 오프셋 위치들은 도 4a 내지 도 4h에 도시된다.

도 4a 및 도 4b는 상사점 위치로 접근하는 제1 피스톤(230)의 개별의 측면 및 정면을 도시한다. 배기 캠(282)은 배기 브릿지(272)를 들어올려, 배기 밸브들(265)이 닫힘 위치에 견고하게 고정되도록 한다. 한편, 흡기 캠(281)은 흡기 브릿지(271)를 들어올리지 않으나, 스프링들(274)은 흡기 밸브들(263)이 닫힘 위치에서 아래 방향으로 기울어지도록 하는 것을 돕는다.

피스톤(230)이 상사점에 가까워지면, 챔버(221) 내에는 낭비되는 부피는 실제적으로 없게 된다. 이는 흡기 밸브들(263)이 파워 행정의 시작점에서 헤드(240) 내로 열리고, 그에 따라 피스톤(230)과의 간섭의 위험이 없게 되기 때문이다. 반면, 챔버(121) 내로 열리는 종래의 밸브들은 피스톤과 간섭을 일으켜, 적절한 부피가 상사점에서 피스톤(230) 상에 제공되고, 또는 피스톤 면은 밸브들이 상사점 또는 그 근처에서 열려 있을 때 밸브들과의 접촉을 피하기 위해 디프레션(depressions)을 갖게 된다. 따라서, 실린더에 대한 행정 길이가 최소화되거나 낭비가 없게 되어, 흡기 밸브들(263)이 즉시 열림에 따라, 실질적으로 피스톤(230) 면으로의 완전한 압축 가스의 즉각적인 활용이 가능하다.

도 4c 및 도 4d는 도 4a 및 도 4b에 도시된 제1 피스톤(230)으로부터 90° 오프셋된 제2 피스톤(230)을 도시한다. 제2 피스톤(230)은 이 경우 파워 행정를 통과한다. 배기 밸브들(265)은 배기 브릿지(272)가 배기 캠(282)에 의해 들어올려짐에 따라 닫혀있고, 흡기 밸브들(263)은 흡기 브릿지(271)가 흡기 캠(281)에 의해 들어올려짐에 따라 제2 피스톤을 위해 열려있게 된다.

도 4e 및 도 4f는 앞서 언급한 제2 피스톤(230)으로부터 90° 더 오프셋된 제3 피스톤(230)을 도시하며, 제3 피스톤(230)은 파워 행정의 끝인 하사점에 접근한다. 흡기 밸브들(263)은 이제 흡기 브릿지(271) 상의 스프링들(274)의 기울임 동작으로 닫히게 된다. 스프링들(274)은 또한 배기 브릿지(272)를 하강 위치로 기울여서, 배기 밸브들(265)이 챔버(121) 내로 열리도록 한다. 그에 따라, 배기 밸브들(265)은 리턴 행정 시 배기 가스를 챔버(121)로부터 배기하도록 준비된다.

도 4g 및 4h는 제4 피스톤(230)을 도시하여, 제3 피스톤(230)으로부터 90° 더 오프셋되어 있고, 이 경우 상사점 이후 대략 270°에 해당한다. 도 4e 및 도 4f를 참조하면, 배기 밸브들(265)은 배기 가스를 배기하도록 열리고, 흡기 밸브들(263)은 닫힘 위치로 기울어져 있도록 유지된다.

도 4a 내지 도 4h에 도시된 각 피스톤들의 전체의 상대적 밸브 타이밍은 도 5a 내지 도 5d에 도시된 개별의 타임 차트의 비교를 통해 보다 정확히 이해될 수 있다. 타이밍 차트는 제1 피스톤이 상사점 위치에 있을 때를 0°로 설정한 절대 크랭크각(absolute crank angle)에 대해, 흡기 밸브들(263) 및 배기 밸브들(265)이 열려있는 모습을 개별적으로 보여준다.

도 5a에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 피스톤 위치는 절대 크랭크각에 직접적으로 대응하고, 흡기 밸브들(263)은 상사점으로부터 상사점 이후 대략 156°까지 열려있으며, 그 후 흡기 밸브들(263)은 닫히고, 배기 밸브들(265)이 상사점 이후 대략 165도에서 열린다. 배기 밸브들은 상사점 이후 355도까지 남은 행정 동안 열려있게 된다.

도 5b 내지 도 5d는 제2, 제3 및 제4 피스톤(230) 각각의 유사한 타이밍 사이클을 도시하나, 타이밍 다이어그램들은 피스톤들(230)의 현재 위치들보다 절대 크랭크각을 따르므로, 각각은 90°씩 오프셋되어 있다. 이는 흡기 밸브들(263)이 열리고 압축 가스가 활동적으로 개별의 피스톤(230)을 구동하는 그 기간 사이에 어떻게 겹쳐지는 지를 한눈에 볼 수 있다. 어떠한 절대 크랭크각에서도, 적어도 하나의 피스톤(230)은 열려 있는 흡기 밸브들(263)을 갖고, 대부분의 크랭크 각도에서, 실제적으로 두 개의 피스톤들(230)이 열려 있는 흡기 밸브들(263)을 갖는다는 것을 알 수 있다.

이는 압축 가스가 파워 행정를 따라 항상 적어도 하나의 피스톤(230)에서 구동을 시작할 수 있어, 공기 엔진(200)이 특별한 어떤 스타트-업 절차 필요없이, 헤드들(240)의 흡기 개구들(244)로 압축 가스를 간단하게 공급함으로써 바로 셀프-스타트를 할 수 있게 한다.

공기 엔진(200)은 통상적으로 흡기 매니폴드를 통하여, 헤드들(240)의 흡기 개구들(244)로 압축 공기를 공급함으로써 구동될 수 있을 것이다. 배기물은 통상적으로 분리된 배기 매니폴드를 통하여, 헤드들(240)의 배기 개구들(246)로부터 제거될 수 있는 팽창 공기일 것이다. 일반적으로 배기 공기는 대기압 또는 그 근처일 것이며, 이는 공기 엔진(200) 내 빠른 팽창에 기인하여 주위 조건과 비교하여 확연하게 감소된 온도가 될 것이다.

파워 제네레이션 시스템은 압축 공기의 적절한 소스에 연결된 공기 엔진(200)을 활용할 수 있다. 일 예시로, 공기 엔진(200)은 적절한 압력 베슬(vessel)에 저장된 압축 공기가 공급될 수 있다. 공기 엔진으로의 압축 공기의 흐름은 공기 엔진(200)에 따른 구동 속도 및 파워를 변화시키도록 제어될 수 있다. 다른 예시에서, 파워 제네레이션 시스템은 압축 공기를 생성하는 에어 컴프레서를 포함할 수 있으며, 이는 요구되는 바에 따라 공기 엔진에 직접적으로 저장 또는 공급될 수 있다. 이 경우, 압축 공기가 저장되면, 이는 고압 저장 탱크를 이용하여 수행될 수 있어, 압축 공기는 수요에 따라 공기 엔진에 공급될 수 있다. 이는 또한 공기 엔진(200)에 대한 압축 공기의 공급 압력 및 흐름율의 추가 제어를 가능하게 하여, 요구되는 바에 따라 파워 출력을 제어할 수 있다.

에어 컴프레서는 즉각적으로 이용 가능한 파워 소스에 의해 켜질 것이며, 공기 엔진(200)은 압축 공기를 다른 활용 제품들을 위한 유용한 회전 파워를 전달하도록 사용될 수 있다. 에어 컴프레서를 작동시키기 위한 파워 소스는 솔라 셀(solar cells)과 같은 재생 가능한 파워 소스를 포함할 수 있다. 선택적으로, 에어 컴프레서는 일반적인 엔진들 또는 전기 네트워크에 의해 공급되거나 배터리에 저장된 전력에 의해 작동될 수 있다.

압축 공기 소스을 이용하여 발전되는 회전 파워가 전기 파워로 변환되도록 하기 위하여, 전기적 제네레이터가 공기 엔진(200)의 크랭크샤프트(210)에 결합될 수 있다. 이는 전력 또는 화학적 연료가 이용될 수 없으나 저장된 압축 공기를 이송할 수 있거나 에어 컴프레서를 이용하여 국지적으로 공기를 압축할 수 있는 곳에서, 원거리(remote) 활용제품에서, 공기 엔진(200)의 유용한 활용을 가능하게 할 수 있다. 이는 또한 예를 들면 저장을 위한 배터리에 전력을 공급하는 전기적 제네레이터를 가짐으로써, 공기 엔진(200)에 의해 생산된 파워가 이후의 사용을 위해 저장될 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 배기 스트림으로서 공기 엔진(200)으로부터의 팽창 가스 출력은 주위의 공기보다 확연하게 냉각될 수 있다. 이러한 냉각 배기 스트림은 또한 에어 컨디셔닝 또는 가열 제네레이팅 장비의 쿨링과 같은 다른 쿨링 제품을 위해 사용될 수 있다.

일 예시에서, 공기 엔진(200)으로부터의 냉각 배기 흐름은 원거리 활용제품(reomot mining application)과 같이, 디젤 제네레이터를 냉각하는 데에 사용될 수 있다. 에어 컴프레서는 디젤 및 압축 공기에 의해 작동될 수 있고, 공기 엔진을 구동하는 데에 사용될 수 있으며, 그에 따라 디젤 제네레이터에 의해 생산된 전력을 공급하는 전기적 제네레이터에 결합될 수 있다. 공기 엔진(200)으로부터의 냉각 배기는 디젤 제네레이터를 냉각하기 위한 쿨링 시스템에 공급될 수 있다.

다른 예시에서, 공기 엔진(200)은 긴 하울 프라임 무버 트럭(long haul prime mover truck)과 같은 차량 파워 설비에 사용될 수 있다. 차량 파워 설비는 압축 공기의 공급을 생산하기 위한 컴프레서를 작동시키는 내연 엔진을 포함할 수 있고, 이는 공기 엔진(200)에 직접적으로 저장 또는 공급될 수 있다. 트럭 파워 설비의 일 예시에서, 에어 컴프레서는 디젤 엔진에 의해 쉽게 작동될 수 있으며, 이는 피크 효율(peak efficiency)에서 일정하게 구동될 수 있고, 트럭 자체를 구동하는 데에 필요한 것과 달리 확연하게 낮은 커패시티를 가질 수 있다. 그러나, 공기 엔진(200)은 압축 공기를 이용하여 트럭을 구동하기 위한 충분한 파워를 전달하도록 크기를 가져야 할 것이다. 트럭 자체를 구동하는 디젤 모터의 구동과 비교하여, 디젤 컴프레서의 효율적인 구동에 따라 효율 이득을 볼 수 있다. 이는 디젤 엔진과 달리 내연 엔진이 사용될 수도 있을 것이다.

앞서 언급한 차량 파워 설비는 또한 사용 시 연소 엔진을 냉각시키기 위한 공기 엔진(200)으로부터의 냉각 배기 공기를 이점적으로 사용할 수 있다. 이는 또한 차량 파워 설비의 효율을 향상시킬 수 있고, 특히 극한 환경 조건 및/또는 차량의 과중 사용 시에 오버히팅으로부터 보호하는 데에 도움을 줄 수 있다.

이러한 차량 파워 설비는 또한 수요에 따라 공기 엔진(200)에 공급되는 압축 공기를 허용할 수 있는 에어 컴프레서에 의해 공급되는 압축 공기를 저장하기 위한 출력(capability)을 포함할 수 있다. 몇몇 예시에서, 저장된 압축 공기는 에어 컴프레서에 의해 공급되는 것과 달리 높은 흐름율로 공급될 수 있으며, 그에 따라 추가의 파워를 공기 엔진(200)의 필요 시 전달할 수 있다. 차량의 하강 또는 감속 시와 같이 낮은 파워가 요구되는 동안의 공기 엔진(200)에 요구되지 않는 추가의 압축 공기는 나중의 사용을 위해 저장될 수 있다.

이러한 배열은 디젤 전기 제네레이터들은 트럭을 구동하는 전기 모터에 의해 사용되는 전기를 생성하는 마이닝(mining) 트럭에 사용되는 시스템과 다소 유사하다. 이러한 배열은 간단한 기계적 시스템으로 대체함으로써, 비싼 배터리 시스템 및 고전류 와이어링의 필요를 제거할 수 있다. 이는 또한 유사한 차량 파워 설비 배열들이 보트, 탱크, 헬리콥터, 굴삭기 등을 포함하는 다른 타입의 차량들을 위해 제공될 수 있다. 유사한 배열들이 또한 로터리 파워가 요구되는 드릴 장비와 같은 정적인 장비에도 사용될 수 있다.

앞선 관점에서, 공기 엔진(200)을 사용하는 시스템들은 종래 기술에 특정하게 잘 맞지 않는 환경에서 효율적인 파워 제네레이션을 가능하게 할 것이다. 이는 또한, 압축 공기의 큰 부피가 공기 엔진(200)이 필요 시 사용을 위해 편리하게 저장될 수 있어, 압축 공기의 새로운 공급방식이 재상 가능한 자원을 이용하여 계속적으로 생산될 수 있다. 반면, 배터리로는 많은 양의 전기 에너지를 저장하는 것이 실현 불가능하다.

왕복운동 엔진의 상기한 특징들은 압축 가스의 운동 동력을 활용하는 특별한 효율적인 방법에 기여한다. 상기된 선호되는 실시예들은 에너지의 입력을 비교 불가능한 수준의 효율까지 이용하기 위해서 압축 가스에 저장된 에너지의 낭비를 상당히 줄이는 특징들을 조합한다.

이러한 효율은 상기 상세한 설명에 개시된 특별한 기계적으로 작동하는 밸브 및 헤드 구성에 의해서 달성될 수 있다. 밸브 및 헤드 구성은 (2-행정 구성에서 작동하는 180° 까지의) 행정을 가능하게 하며, 빠르고 정확한 반복성, 흐름 작용 및 가스 이송의 효율 및 제어를 가능하게 한다. 이는 (다른 유사한 완복운동 엔진 설계와 비교할 때) 입력 에너지 대비 실질적으로 더 큰 파워 및 토크 출력으로 이어지게 한다.

상술한 브릿지를 사용하는 밸브 구성의 디자인은 엔진이 더 효율적으로 구동할 수 있게 연료원에 대한 내부 저항을 줄이는 엔진을 생산하는 것을 가능하게 한다. 엔진은 임의의 밸브가 실린더에서 압축 공기를 압축할 필요에 관계없이 엔진의 상대적으로 쉬운 튠오버로 이어지도록 고유의 낮은 회전 관성을 가지도록 구성될 수 있다. 이는 몇몇 이유가 있으며, 비록 완전 목록은 아니지만 이러한 이유 중 일부가 이하에 설명된다.

첫째로, 밸브 배열 디자인은 밸브를 밸브의 정지 상태로 되돌리는 텐셔닝된 스프링의 사용하지 않고 밸브들이 작동하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 엔진의 회전은 크게 텐셔닝된 스프링으로 인한 저항을 극복할 필요가 없으며, 이는 밸브 시스템을 작동하는데 에너지가 덜 소모되는 것을 의미하며, 좀 더 유용한 파워가 크랭크 샤프트에서 이용 가능하다는 것을 의미한다. 이는 밸브가 가능한 빨리 닫히도록 스냅하기 위해서 엔진이 매우 큰 스프링 장력이 있는 스프링을 구비하는 드래그 자동차에서 발견되는 엔진과 같은 고성능 엔진과 대조된다.

상술한 밸브 배열는 이러한 스프링 장치의 필요성 제거할 수 있다. 스프링과 같은 편향 부재들에 의해서 요구되는 유일한 힘은 밸브의 표면에 가해지는 내부 챔버 압력에 의해서 가해지는 힘을 극복하기 위해서 필요로 하는 힘이다. 이러한 관점에서, 밸브 표면에 작용하는 힘보다 약간 큰 장력이 편향 부재에 필요로 한다. 사실상, 공기 엔진용 흡기 밸브들의 경우에, 편향 부재들은 가장 큰 압력이 통상적으로 밸브들의 반대편에 있다는 것을 고려할 때 심지어 필요로 하지 않을 수 있다. 하지만, 스프링은 밸브들의 반응성을 보조하거나 완충 작용을 위해 사용될 수 있다.

게다가, 이러한 밸브 배열은 상대적으로 작은 밸브 움직임으로 작동할 수 있으며, 캠(cam) 형태의 액츄에이터의 경우에, 이는 상용의 캠 작동 밸브 디자인 보다 기하학적으로 컴팩트한 캠을 가능하게 한다. 이는 회전 당 요구되는 캠 접촉 속도를 줄일 수 있으며, 또한 마모를 줄이며, 각 캠 로브의 무게 및 스루(throw)가 줄어들 수 있는 것을 고려할 때 캠샤프트의 균형에 도움이 된다.

컴팩트한 구성에서 밸브의 선형 작동을 가능하게 함으로써, 극복해야 할 고유 엔진 파워를 필요로 하는 각 운동량 및 긴 이동 거리의 기계적 단점을 제거함으로써, 엔진 디자인은 또한 상용의 각진 포핏 밸브(angled poppet valve) 장치 및 특히 통상적인 로켓 암 시스템과 비교할 때 상당한 진보를 제공한다. 캠이 액츄에이터로서 사용되는 밸브 배열의 실시예들은 캠 로브들이 밸브들에 결합된 브릿지를 효과적으로 분명히 움직이도록 브릿지의 캠 팔로워에서 직접적으로 작동한다. 이러한 관점에서, 브릿지 시스템은 점 더 유리한 레버리지 비율을 가져 이러한 기계적 단점을 제거한다. 또한, 엔진의 실시예들은 크랭크샤프트 및 캠샤프트 사이의 연결에서 우호적인 기계적인 이점의 사용으로 인해 엔진의 줄어든 고유 제약을 통하여 향상된 기계적 효율을 제공한다는 점을 주목해야 한다. 선호되는 실시예들에서, 캠샤프트 타이밍 풀리는 가장 높은 로브 지점에서 캠의 직경의 두 배까지 이른다.

상술했듯이, 상기한 왕복운동 엔진 구성의 양태들은 내연 엔진에 적용할 수 있다. 예컨대, 컴팩트하고 기계적으로 간단한 구성에서 복수의 밸브의 작동을 동시에 제어하기 위한 브릿지를 포함하는 밸브 배열들은 내연 엔진에서 또한 유용할 수 있다. 상기된 예들은 4-행정 작동을 가능하게 하는 캠샤프트에 대한 캠샤프트 타이밍을 변화시키고 배기 밸브와 유사하게 흡기 밸브를 재구성함으로써 내연 엔진에 적용될 수 있다.

내연 엔진(1400)의 실시예는 도 14a 내지 도 14d에 도시된다. 본 실시예는 도 1a 내지 1p를 참조하여 도시된 실시예와 유사하며, 유사한 특징들은 유사한 도면부호로 표시될 것이다.

본 실시예에 따른 내연 엔진(1400)은 일반적으로 크랭크샤프트(110)(미도시), 내부 챔버(121)를 정의하는 실린더(120) 및 챔버에 위치된 피스톤(130)을 포함하며, 피스톤(130)은 크랭크샤프트(110)에 연결되도록 구성되고 챔버(121) 안에서 왕복 운동하도록 구성된다.

내연 엔진은 또한 헤드(140)를 포함한다. 하지만 본 경우에 헤드(140)는 도 14b 내지 14d에 도시된 스파크 플러그와 같은 점화원(ignition source)(1410) 또는 다른 종류의 점화원(1410)을 수용하기 위한 이전 예들의 헤드와 비교할 때 다른 구조 특징들을 포함할 수 있다. 헤드(140)는 디젤 엔진의 경우에 예열 플러그(glow plug), 연료 분사기, 등을 수용하도록 설계될 수 있지만, 점화원(1410)은 디젤 엔지의 경우에 필수적이지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.

이전 예시들과 같이, 헤드(140)는 실린더(120)에 부착되고 피스톤(130)에 마주하는 단부에서 챔버(121)를 닫으며, 헤드(140)는 챔버(121) 및 각 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 두 개 이상의 포트들(143, 145)를 포함하는 포트 그룹(141, 142)를 포함한다. 본 경우에, 흡기 포트 그룹(141)은 두 개의 흡기 포트(143)를 포함하고 배기 포트 그룹(142)은 두 개의 배기 포트(145)를 포함한다. 각 포트 그룹(141, 142)을 위한, 헤드(140)에 결합한 밸브 배열(161, 162)이 장착되어 있다. 각 밸브 배열(161, 162)은 포트 그룹(141, 142)의 각 포트(143, 145)를 위한, 각 포트(143, 145)를 통하여 유체 흐름을 작동하여 제어하기 위한 밸브(163, 165)를 포함한다.

브릿지(171, 172)는 각 밸브 배열(161, 162)을 위한 밸브(163, 165)에 결합되며, 헤드(140)에 대한 각 브릿지(171, 172)의 움직임은 헤드에 결합된 밸브(163, 165)의 구동 동기화를 일으킨다. 액츄에이터(181, 182)는 각 브릿지(171, 172)가 피스톤(130)의 왕복운동에 기반하여 움직이게 하도록 구비된다.

도 14b 내지 14d에서 볼 수 있듯이, 흡기 포트(154) 및 이에 상응하는 흡기 밸브(163)의 구성은 공기 엔진과 좀 더 구체적으로 관련된 이전 예들과 비교할 때 다르다. 특히, 본 경우에 흡기 밸브들(163)은 양 종류의 밸브(163, 165)가 챔버(121) 안으로 움직임으로써 그들의 각 포트들(143, 145)를 열고 일반적으로 유사한 밸브 실(164, 165) 구성을 가진다는 점에서 배기 밸브들(165)과 유사하다. 도 14c는 피스톤(130)이 흡기 행정을 시작하는 상사점을 통과할 때 열린 흡기 밸브들(163)을 도시하는 반면, 도 14d는 피스톤(130)이 배기 행정에서 위쪽으로 이동할 때 열린 배기 밸브들(165)을 도시한다. 피스톤(130)이 상사점에 있을 때, 피스톤(130) 면은 열린 경우 챔버(121) 안으로 돌출하는 점화원(1410) 및 흡기 밸브들(163)과 간섭을 피하기 위한 감압들을 포함할 수 있으며, 이것이 피스톤(130) 및 헤드(140) 사이의 데드볼륨(dead volume)의 감소를 가능하게 한다는 점을 주목해야 한다.

이전의 공기 엔진 예시들의 흡기 밸브들(163)은 헤드(140) 안으로 움직임으로써 열릴 수 있으며, 이는 공급된 가압 공기에 의해서 흡기 밸브들(163)에 가해진 압력의 관점에서 효과적일 수 있다는 점을 상기해야 할 것이다. 이러한 장치는 공기가 공급되고 밸브 실(164, 165)이 연소로 인한 챔버(121) 내에서 발생된 압력을 견디도록 더 잘 설계되는 내연 엔진(1400)의 경우에 좀 더 효과적이다.

따라서, 상기한 예들의 배기 밸브들(165)과 유사하게, 흡기 밸브(163) 및 배기 밸브(165)는 각 액츄에이터(181, 182)가 헤드로부터 멀리 브릿지(171, 172)를 움직일 때 각각은 분명히 닫힐 수 있다. 흡기 밸브(163) 및 배기 밸브(165)는 스프링과 같은 편향 부재에 의해서 열릴 수 있지만, 밸브들(163, 165)을 분명히 열리도록 헤드(140) 쪽으로 브릿지(171, 172)의 움직임을 일으키는 액츄에이터(181, 182)를 구비하는 것 또한 가능하다.

상기 방식으로 각 밸브들을 분명히 닫히도록 하는 흡기 밸브(163) 및 배기 밸브(165)를 사용하는 유사한 장치는 또한 상기한 것과 유사한 공기 엔진들에서 사용될 수 있다는 점을 주목해야 한다. 내연 엔진 예에서 또한 대안으로 밸브들(163, 165)은 편향 부재에 의해서 닫힐 수 있으며 액츄에이터(181, 182)로 인해 분명히 열릴 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

어떠한 경우에도, 각 브릿지(171, 172)가 상응하는 밸브들(163, 165)의 구동 동기화에 영향을 미치도록 액츄에이터(181, 182)에 의해서 이동되는 밸브 배열들(161, 162)의 사용은 이전의 예들에서 논의된 것과 유사한 효과를 제공할 것이다.

게다가, 밸브(163, 165)는 상용의 내연 엔진과 같이 밸브를 되돌리는 스프링 장력에 의존하지 않고 완전히 닫힐 수 (선택적으로 완전히 열릴 수) 있기 때문에, 내연 엔진에 적용될 때, 상기된 밸브 배열(161, 162)은 향상된 밸브 내구력 및 작동 속도를 가능하게 한다. 이것은 밸브 폐쇄 반응성이 작동 속도에 관한 제한 요소가 되는 고성능 엔진에서 특히 효과적일 수 있다. 상기 예들에 따른 일부 엔진들에서, 스프링은 밸브들의 열림 또는 닫힘을 발생시키기 위해서 요구되지 않으며, 단지 완충 효과를 제공하기 위해서 요구될 수 있다.

상기 논의한 관점에서, 완전히 닫힌 밸브들을 가지는 밸브 배열는 특히 내연 엔진에서 바람직한 성능 향상을 보여줄 수 있다. 이러한 밸브 배열의 예들은 멀티-밸브 엔진에서 이미 설명되었지만, 유사한 원리들이 단일 흡기 밸브 및 단일 배기 밸브만 가지는 엔진들에 유용하게 적용될 수 있다.

따라서, 단일 흡기 밸브 및 단일 배기 밸브를 가지는 엔진을 위한 밸브 배열(1560) 및 이에 상응하는 헤드(1540)의 예는 도 15a 및 15b를 참조하여 이하에 설명될 것이다.

도 15a 및 도 15b에 도시된 밸브 배열 및 헤드(140)를 이용하는 왕복운동 엔진은 크랭크샤프트, 내부 챔버를 정의하는 실린더, 챔버에 위치된 피스톤의 통상적인 왕복운동 엔진을 포함하며, 피스톤은 크랭크샤프트에 연결되고 챔버 안에서 왕복운동 하도록 구성되며, 하지만 이러한 특징들은 밸브 구성(1560) 및 헤드(1540)의 특정한 구성이 본 예시에서 주요 관심사임을 고려할 때 생략되었다.

엔진은 피스톤에 마주하는 단부에 챔버를 닫고 실린더에 부착된 헤드(1540), 및 밸브 배열(1560)를 포함한다. 헤드(1540)는 챔버 및 각 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 포트를 포함하며, 밸브 배열(1560)는 포트를 통하여 유체 흐름을 작업적으로 제어하기 위한 밸브(1563)를 포함한다.

본 경우에서 오직 하나의 밸브(1563)가 밸브 배열(1560)에 구비된다. 상기 밸브(1563)은 본 예시의 목적을 위해서 흡기 밸브(1563)로 가정된다. 완성도를 위해서, 다른 밸브(1565)는 도 15a에 나타나며 이것은 배기 밸브(1565)로 가정된다. 유사한 밸브 배열는 배기 밸브(1565)를 위해서 사용될 수 있지만, 이것은 명확성을 위해서 도 15a에서 생략되었음을 이해해야 할 것이다.

밸브 배열(1560)는 밸브(263)에 결합된 브릿지(1570)를 포함하며, 제1 방향으로의 브릿지(1570)의 움직임은 밸브(263)가 열리도록 한다. 밸브 배열(1560)은 피스톤의 왕복운동에 기반하여 제1 방향으로 브릿지(1570)가 이동하도록 하는 폐쇄 액츄에이터(1580) 및 제2 방향 쪽으로 브릿지(1570)를 편향하게 하는 적어도 하나의 편향 부재(1574)를 포함한다.

이러한 형태의 밸브 배열(1560)는 폐쇄 액츄에이터(1580)가 브릿지(1670) 상에 작용할 때 밸브(1563)가 편향 부재에 대항하여 폐쇄된 위치로 기계적으로 이동하도록 하며, 그러나 폐쇄 액츄에이터(1580)가 브릿지 상에 작동하지 않을 때 편향 부재(1574)는 밸브(1563)를 고유의 개방 위치로 되돌리는데 사용될 수 있다. 밸브 작동 결과는 내연 엔진 등에서 상용 포핏 밸브의 결과와 반대이며, 밸브들은 통상적으로 폐쇄 상태로 밸브를 되돌리기 위한 스프링에 의존하고 기계적으로 열리는 것이 이해되어야 할 것이다.

상기했듯이, 이러한 상용 장치들과 비교할 때 완전한 밸브 폐쇄를 가지는 밸브 배열를 장착하는 점에서 상당한 이점들이 있다. 반복하자면, 이러한 이점들은 완전한 폐쇄 밸브 배열(1560)이 통상적인 완전한 개방 밸브 구성 대신에 사용될 때 엔진의 회진에서 고유 저항의 상당한 감소를 내재한다.

상용 내연 엔진에서 회전 저항의 주요 원인은 통상의 완전한 개방 밸브를 확실하게 닫기 위해서 요구되는 스프링 장력에 있음을 주목해야 한다. 상용 엔진의 스프링들은 스프링 장력 및 밸브 질량을 포함하는 요소들에 의존하는 스프링의 고유의 동적 반응 특성으로 인해 주어진 속도에서 밸브를 밸브의 폐쇄 위치로만 되돌릴 수 있다. 이러한 문제는 밸브 부동 현상으로써 알려져 있다. 만약 밸브가 상용 내연 엔진에서 충분한 시간에 닫히지 않는다면, 그 결과는 여전히 열린 밸브를 통하여 빠져나간 감소된 압축 가스로 인하 파워 손실, 또는 보다 치명적으로 밸브 및/또는 피스톤에 상당한 손상을 줄 수 있는 밸브 및 피스톤 사이의 간섭이다. 따라서, 밸브 부동 현상은 통상적으로 상용 엔진의 최대 작동 속도를 제한해 왔다.

통상적으로, 상용 포핏 밸브 구성에서 밸브 부동 현상의 문제는 스프링 특성의 제어를 통하여 부분적으로만 완화되어 왔다. 예컨대, 만약 상용 엔진에서 더 큰 작동 속도가 요구된다면, 밸브가 폐쇄 위치로 정확하게 되돌아 갈 수 있도록 더 무거운 밸브 스프링을 필요로 했다. 이것이 스프링이 밸브의 개방 동안에 압축될 때 크랭크샤프트에 증가된 하중을 제공하며, 이것은 크랭크샤프트가 타이밍 벨트 등을 사용하는 엔진과 결합하는 일반적인 경우에 더 큰 회전 저항을 발생시킨다.

대조적으로, 본 발명에 따른 밸브 배열(1560)에서, 고속에서 밸브 부동 현상으로 인해 적절하게 닫히지 않는 밸브들의 문제는 제거된다. 밸브들은 피스톤의 왕복운동에 기반하여 확실히 닫히기 때문에 밸브(1563)는 증가하는 엔진 스프링에서 폐쇄 위치로 이동될 수 있으며, 밸브(1563)의 폐쇄 작동에서 스프링 또는 다른 타임-리미티드(time-limited) 편향 장치들에 의존하지 않는다.

밸브 배열(1560)은 브릿지(1570)와 결합한 스프링과 같은 편향 부재(1574)를 포함하는 반면, 이것은 밸브(1563)의 개방 작동을 용이하기 위해서만 구비될 수 있다. 본 예시에서, 밸브 배열(1560)는 폐쇄 액츄에이터(1580)가 밸브(1563)를 분명히 닫도록 사용되지 않을 때마다 편향 부재(1574)가 밸브(1563)를 개방하도록 구성된다. 이러한 배열은 상용 배열에서 필요로 하는 구성과 비교할 때 크게 감소된 스프링 장력을 요구하는 것을 발견할 수 있다.

특히, 밸브(1563)를 개방하기 위해 요구되는 스프링 장력은 밸브(1563)가 개방되도록 필요한 시간에 밸브(1563)의 면에 가해지는 최대 내부 챔버 압력을 단지 해소하기 위해서 계산될 수 있다. 요구된 스프링 장력은 증가된 속도와 관계없이 화전 범위를 통한 상수로 남아있다는 점을 주목해야 한다. 밸브 배열(1560)의 선호된 실시예들에서, 밸브(1563)를 개방하기 위한 편향 부재(1574)를 제공하기 위해서 사용된 스프링들의 스프링 장력은 상용 내연기간의 상응하는 크기 및 성능의 유사한 밸브를 닫기 위해 요구되는 스프링 장력의 약 1/2으로 설정될 수 있다.

따라서, 완전한 폐쇄 밸브(1563)를 가지는 밸브 배열(1560)은 상대적으로 약한 스프링 장력을 가지는 스프링의 사용을 가능하게 하여 고유 저항을 감소시키는데 도움이 된다는 것이 이해되어야 할 것이다.

본 예시에서, 제1 방향으로의 브릿지(1570)의 움직임은 헤드(1540)로부터 멀어지는 브릿지(1570)를 수반하며 제2 방향으로의 브릿지(1570)의 움직임은 헤드(1540) 쪽으로 움직이는 브릿지(1570)를 수반한다. 이것이 밸브(1563)가 일반적인 사용 밸브 실(1564) 장치를 가지며, 챔버 안으로 밸브 씰(1564)을 연장함으로써 개방하고 헤드(1540)에 형성된 포트에서 씰(1564)을 안착함으로써 닫히는 것을 가능하게 한다. 하지만, 브릿지(1570)의 액츄에이터를 통한 완전한 밸브 클로저를 가능하게 하는 다른 구성들이 가능할 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

도 15a에 도시되었듯이, 밸브 배열(1560)은 점화 플러그(1510)와 같은 점화원을 포함하는 내연 엔진에 통합될 수 있다. 밸브 배열(1560)은 상용 점화 플러그(1510)가 피스톤 면에 수직하게 위치되는 것을 가능하게 하는 방식으로 위치될 수 있다.

디젤 엔진과 같은 다른 내연 엔진에서, 점화 플러그(1510)는 필요로 하지 않을 수 있지만 예열 플러그 또는 연료 분사기와 같은 다른 기본적인 엔진 특징들은 구비될 수 있다. 대안으로, 밸브 배열(1560)은 가압 가스에 의해서 구동되도록 구성된 가압 가스 엔진과 사용될 수 있으며, 이것은 상기한 것과 유사한 방법으로 작동될 수 있다.

도 15a 및 도 15b에 도시된 것과 같은 밸브 배열(1560)의 (비록 선택적이나) 추가로 선호되는 특징들이 설명될 것이다.

이전 예들에 따르면, 폐쇄 액츄에이터는 캠샤프트에 설치된 적어도 하나의 캠(1581)을 포함하는 캠샤프트(1580)의 형태로 구비될 수 있다. 이러한 관점에서, 단일 캠(1581)은 도시되었지만, 복수의 캠은 공통 캠샤프트에서 이격되 구비될 수 있으며, 도 19 및 도 20의 예에 관하여 이하에 자세히 설명된 것처럼 각각은 캠은 각 팔로워를 구비한다. 본 예시의 설명을 위해서, 도면번호 1581은 단일 캠을 나타내나, 이것은 제한하는 의도가 아닌 것임이 이해되어야 할 것이다.

캠샤프트(1580)는 통상적으로 엔진의 크랭크샤프트와 회전되게 결합될 것이다. 캠(1581)은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따른 브릿지(1570)의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있다. 밸브 배열(1560)는 오버헤드 캠(1581)을 사용하는 헤드(1540) 위로 설치될 수 있다. 브릿지(1570)는 차례로 도 15a에 도시되었듯이 캠(1581)을 결합하기 위한 캠 팔로워(1577)를 포함할 수 있다. 따라서, 이것은 필요에 따른 밸브(1563)를 개방 및 폐쇄하기 위한 밸브(1563)의 필요한 움직임으로 크랭크샤프트의 회전 운동을 전환하기 위한 저 마찰 장치를 제공한다.

브릿지(1570)는 밸브(1563)가 결합된 제1 브릿지 부분(1571) 및 캠 팔로워(1577)를 포함하는 제2 브릿지 부분(1572)(또는 브릿지 캡)을 포함할 수 있다. 특히 본 예시에서, 브릿지(1570)는 제1 브릿지 부분(1571) 및 제2 브릿지 부분(1572) 사이의 공동(cavity)를 정의해서, 캠샤프트(1580)는 공동을 통하여 연장할 수 있다. 브릿지(1570)의 이러한 구조적 구성은 브릿지(1570)가 캠(1581)의 로브들에 의해서 활성화될 때 밸브(1563)를 폐쇄 위치 안으로 들리도록 허용하는 편리한 기하학적 장치를 제공한다.

상술했듯이, 각 편향 부재는 브릿지(1570)에 결합된 스프링(1573)의 형태로 구비될 수 있다. 본 예시에서, 각 스프링(1574)은 브릿지(1570)가 밸브(1563)를 완전히 폐쇄하도록 캠샤프트(1580)(또는 임의의 다른 적합한 폐쇄 액츄에이터) 상에 캠(1581)을 이용하는 제1 방향으로 이동될 때 스프링이 압축되도록 되도록, 캠(1581)이 밸브(1563)를 완전히 닫도록 사용되지 않을 때 압축된 스프링(1574)이 밸브(1563)를 개방하도록 제2 방향으로 브릿지(1570)를 향하도록, 브릿지(1570)에 결합된다.

다시 말해, 스프링들(1574)은 밸브(1563)의 기계적인 폐쇄 동안에 캠 팔로워(1577)에 작용하는 캠(1581)에 의해서 극복되는 편향 장력을 제공하는 반면, 밸브(1563)의 개방은 편향 장력의 완화를 통하여 달성된다.

도 15a 및 도 15b에 도시되었듯이, 각 스프링(1574)은 헤드(1540)로부터 바깥쪽으로 연장하는 스터드(stud)(1573)에 설치될 수 있다. 이전에 설명된 것과 같은 유사한 장치에서, 각 스프링(1574)은 리테이너(1575)를 사용하는 스터드(1573)에 보유될 수 있어서, 스프링(1574)은 브릿지(1570)에 효과적으로 결합된다. 본 예시에서, 밸브 배열(1560)는 밸브(1563)에 대하여 대칭적으로 배열된 한 쌍의 스프링(1574)을 포함하며, 밸브(1563)가 선형적으로 열리도록 보장하여 브릿지(1570)의 균형된 편향을 가능하게 한다.

복수의 밸브의 동기화된 작동을 위해서 사용되는 브릿지를 가지는 엔진들의 상기 예시의 관점에서, 도 15a 및 도 15b를 참조하여 설명된 밸브 배열(1560)의 종류는 복수의 밸브와 또한 사용될 수 있다. 이를 설명하기 위해서, 도 16은 상술한 것과 일반적으로 유사하지만 동일한 브릿지(1570)에 결합한 두 개의 밸브(1563)를 포함하는 밸브 배열(1660)의 추가 예시를 도시한다. 각 밸브(1563)는 각 포트를 통하여 유체 흐름을 유체 흐름을 작동적으로 제어하며, 이것에 의해 브릿지(1570)의 움직임은 두 개의 밸브(1563)의 구동 동기화를 야기한다.

도 15 및 도 15b의 비교에 의해서, 일부 특징들은 중복되거나 이전 예시의 단일 밸브(1563) 대신에 두 개의 밸브(1563)를 수용하도록 설계되었지만, 상기 밸브 배열(1660)는 이전에 설명된 장치에 따른 일반적으로 유사한 특징을 포함한다. 어떠한 경우에도, 작동의 유사한 원리들이 만약 원한다면 단일 캠(1581)을 사용하는 복수의 밸브를 작동하기 위한 능력에 따라 복수의 밸브(1563)의 기계적으로 동기화된 작동의 추가적인 이점과 적용될 것이다.

도 15a, 15b 및 16의 예들은 밸브(1563)만의 완전한 폐쇄를 위한 캠 등에 의해서 제공되는 폐쇄 액츄에이터(1580)를 포함하는 장치들을 도시하지만, 밸브(1563)의 완전한 개방을 가능하게 하는 다른 예시들이 장착될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 일 예시에서, 밸브 배열(1560)는 피스톤의 왕복운동에 기반하여 제2 방향으로 브릿지(1570)를 움직이게 하여 밸브(1563)를 완전히 개방되게 하는 개방 액츄에이터를 추가적으로 포함할 수 있다. 이것은 예컨대 폐쇄 액츄에이터를 제공하기 위한 캠과 비교할 때 반대 방향으로 브릿지를 활성화하도록 구성된 추가 캠을 사용함으로써 달성될 수 있으며, 두 개의 캠들 중 하나만이 어떤 임의의 순간에 브릿지를 완전하게 활성화하기 위해서 바람직하게는 두 개의 캠은 상보적인 프로파일을 가질 것이다.

엔진이 밸브를 분명히 닫게만 구성되었는지에 관계없이, 편향 부재는 밸브를 개방하도록 사용되거나 밸브를 분명히 닫고 열도록 사용되면서, 밸브 배열는 편향 부재를 포함할 수 있으며, 편향 부재가 밸브의 폐쇄를 완충하도록 구성될 수 있다.

밸브 배열(1860)의 추가 예시는 도 18a 및 18b에 도시된다. 밸브 배열(1860)는 도 15a 및 도 15b의 밸브 배열(1560)의 이전 예시와 일반적으로 유사하며, 공통된 특징들은 이전 예시와 동일한 도면 부호로 할당된다. 하지만, 본 경우에, 밸브가 닫힐 때 상당한 압력이 밸브 및 포트 사이의 실을 제동하기 위해서 극복되어야 할 필요가 있는 경우에 밸브 개방을 향상시키기 위한 추가적인 특징들을 포함한다.

이러한 상황은, 예컨대, 배기 밸브가 연소 후 증가하는 압력에 대항하여 열릴 필요가 있는 내부 연소 엔진들에서 발생할 수 있다. 편향 부재는 폐쇄 액츄에이터가 밸브를 분명히 폐쇄하도록 사용되지 않을 때 밸브를 개방하도록 구성될 수 있는 반면, 이전 예시에 따르면, 이것은 챔버에서 압력에 대항하여 밸브를 개방하고 밸브 씰을 신뢰성있게 제동하기 위해서 강한 스프링 또는 다른 적합한 강한 편향 부재의 사용을 필요로 한다. 더 강한 편향 부재의 사용은 엔진의 작동에 저항을 원치 않게 증가시킬 수 있다.

도 18a 및 도 18b의 예시에서, 이러한 잠재적인 문제점은, 밸브 배열(1860)의 일부로서, 밸브(1563)가 폐쇄된 후 브릿지(1570)가 밸브(1563) 및 포트 (미도시) 사이의 실을 분명히 제동하기 위해서 (본 예시에서 헤드(1540) 쪽으로) 제2 방향으로 이동하도록 하기 위한 씰 제동 액츄에이터(1885)를 제공함으로써 해결된다.

그리하여, 씰 제동 액츄에이터(1885)는 밸브(1563)를 분명히 개방하기 위한 상기한 개방 액츄에이터의 특별한 형태로서 작동한다. 개방 액츄에이터는 브릿지(1570)가 밸브(1563)을 분명히 개방하도록 제2 방향으로 이동하도록 사용될 수 있지만, 이것은 씰 제동 액츄에이터(1885)에서 핵심은 아니다. 오히려, 씰 제동 액츄에이터(1885)는 챔버 압력을 극복하기 위해서 브릿지(1570)의 충분한 움직임을 제공하고 편향 부재(1574)에 의해서 제공되는 남은 개방 움직임을 가능하게 실을 제동하도록 구성될 수 있다. 이것은 밸브 실을 제동하기 위한 충분한 편향력을 제공할 필요기 더 이상 없기 때문에 이것이 상대적으로 약한 편향 부재(1574)를 허용할 수 있다. 씰 제동 액츄에이터(1885)는 밸브(1563)의 개방을 시작하는 엔진 주기의 짧은 부분을 위해서 브릿지(1570)에서만 구동할 수 있다.

폐쇄 액츄에이터는 이전 예시에 따른 크랭크샤프트에 회전하게 결합된 캠샤프트(1580)에 설치된 제1 캠(1581)에 의해서 제공될 수 있다. 본 예시에서, 씰 제동 액츄에이터는 동일한 캠샤프트(1580)에 설치된 제2 캠(1885)에 의해서 제공될 수 있다. 제1 캠(1581) 및 제2 캠(1885)은 그리하여 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지(1570)의 움직임을 제어하도록 구성된다. 폐쇄 액츄에이터 및 씰 제동 액츄에이터는 동일한 크랭크샤프트(1580)에 제공되기 때문에 이들은 직접적으로 동기화될 것이다.

도 18a에 도시되었듯이, 제1 캠(1581)은 제1 캠 로브를 포함하며 제2 캠은 제2 캠 로브를 포함한다. 캠샤프트(1580)의 회전시, 제1 캠 로브는 밸브(1563)를 완전히 폐쇄하도록 제1 방향으로 브릿지(1570)를 향하도록 하며 제2 캠 로브는 씰을 완전히 제동하도록 제2 방향으로 브릿지(1570)를 향하게 한다.

이러한 종류의 캠 장치는 주요 폐쇄 캠(제1 캠(1581)), 및, 실을 제동하기 위한 쇼트 킥(short kick)을 제공하고 밸브(1563)를 개방 위치로 편향하도록 하는 스프링 등의 형태의 편향 부재(1574)를 허용하는 캠의 기능을 고려할 때, 이차적인 "키커(kicker)" 캠(제2 캠(1885))을 포함 것으로 언급될 수 있다.

키커 캠(제2 캠(1885))에 의해서 제공되는, 씰 제동 액츄에이터는 편향 부재(1574)로부터 상당한 편향 힘을 요구하지 않고 개방 위치 쪽으로 밸브(1563)을 움직이도록 또한 도울 수 있는 밸브(1563)에 일부 모멘텀을 가할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 편향 부재(1574)는 개방 액츄에이터가 사용될 때 상술한 것과 같이 밸브(1563)의 폐쇄를 완충하기 위해서 여전히 사용될 수 있다.

상기 작동을 허용하기 위해서, 브릿지(1570)은 제1 캠(1581)을 결합하기 위한 제1 캠 팔로워(1577) 및 제2 캠(1885)을 결합하기 위한 제2 캠 팔로워(1879)를 포함할 수 있다. 도시된 예시에서, 제2 캠 팔로워(1879)는 제2 캠(1885)을 결합할 것이며, 제1 캠 팔로워(1577)이 제1 캠(1581)로부터 분리될 때, 즉 폐쇄 액츄에이터가 밸브(1563)를 완전히 폐쇄하지 않을 때 밸브 실이 제동되도록 할 것이다.

도 15a 및 도 15b를 참조하여 도시된 이전 예시에 따르면, 브릿지는 밸브(1563)가 결합된 제1 브릿지 부분(1571) 및 제1 캠 팔로워(1577)를 포함하는 제2 브릿지 부분(1572)을 포함할 수 있다. 하지만, 본 예시에서, 제1 브릿지 부분(1571)은 제2 캠 팔로워(1879)를 추가로 포함할 수 있다. 본 예시에서, 캠샤프트(1580)는 제1 및 제2 브릿지(1571, 1572) 사이에서, 특히 상기한 두 개의 브릿지 부분들 사이에 형성된 공동에서 연장한다. 이것이 컴팩트한 장치를 가능하게 할 수 있다.

일부 예시에서, 밸브(1563)는 밸브(1563)를 프리로드(preload)하기 위한 프리로드 스프링(미도시) 등을 포함하는 밸브 카트리지를 사용하는 브릿지(1570)에 결합될 수 있다. 제2 캠 팔로워(1879)는 프리로드 스프링이 밸브(1563)에 씰 제동 액츄에이터의 작용에 일부 완충을 또한 제공하도록 밸브 카트리지와 통합될 수 있다.

도 18b에 도시되었듯이, 씰 제동 액츄에이터를 제공하기 위한 제2 캠(1885)은 제1 캠(1581)로부터 떨어져 오프셋되어 캠샤프트(1580)에 위치되며, 제2 캠 팔로워(1879)는 동일한 양 만큼 제1 캠 팔로워(1577)로부터 오프셋된다. 이러한 종류의 오프셋 장치는 필수는 아니지만, 이것은 동일한 캠샤프트(1580)에서 분리된 캠의 사용을 가능하도록 필요할 수 있으며, 또한 제1 브릿지 부분(1571)과 결합되는 밸브(1563)와 간섭을 피하도록 구비될 수 있다.

도 18a 및 도 18b에 도시된 밸브 배열(1860)는 밸브(1563)를 개방하기 위해 편향 부재(1574)에 전적으로 의존하는 밸브 배열와 비교할 때 편향 스프링으로 인하 회전 저항의 양의 감소를 가능하게 할 수 있으며, 개방 액츄에이터가 밸브(1563)를 완전히 개방하도록 사용될 때 엔진 주기의 전체 개방 부분을 내내 액츄에이터 및 브릿지(1570) 사이의 결합을 요구하지 않는다. 따라서, 이것이 밸브(1563)를 완전하고 분명히 폐쇄 및 개방 하는데 모두 필요할 수 있는 매우 작은 제조 오차의 필요성을 제거하는 도움이될 수 있다.

상기된 기수들은 보다 일반적인 피스톤 기계에 또한 적용될 수 있다. 이러한 관점에서, 용어 피스톤 기계는 왕복운동 엔진뿐만 아니라 컴프레서를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

일 예시에서, 컴프레서는 상기한 왕복운동 엔진의 컴프레서와 실질적으로 유시하다. 하지만, 본 예시에서 밸브 액츄에이터의 타이밍은 통상적으로 변형될 것이며, 따라서 도 1a 내지 1d의 왕복운동 엔진을 위해 사용되는 타이밍 장치는 도 17a 내지 도 17c를 참조하여 설명될 것이다.

본 예시에서, 밸브(165)는 공기가 챔버(148)로부터 피스톤 챔버(121)로 흐르도록 허용하는 흡기 밸브로서 역할하는 반면, 밸브(163)는 압축 공기가 챔버(147)를 경유하여 공급되도록 허용하는 배기 밸브로서 역할한다.

도 17a는 TDC에서 폐쇄된 흡기 밸브(165) 및 배기 밸브(163)를 도시한다. 샤프트(110)가 회전함에 따라, 흡기 밸브(165)는 5도 ATDC에서 열리는 반면, 배기 밸브(163)는 닫힌 채로 남아있으며, 이 구성은 180도 ATDE까지 유지되며, 공기가 피스톤의 하방향 행정 동안에 피스톤 챔버(121)에 공기가 들어가도록 한다. 180도 ATDE에서 배기 밸브(163)는 개방되는 반면, 흡기 밸브(165)는 챔버(147)를 경유하여 가압 공기가 공급되도록 허용하며 닫힌다. 이 구성은, 배기 밸브(163)가 닫히는 지점, TDC까지 계속되며, 상기 과정은 반복된다.

밸브 배열의 추가 예시는 도 19a 및 19b를 참조하여 설명될 것이다.

본 예시에서, 밸브 배열는 제1 및 제1 브릿지 부분(1971, 1972)을 포함하는 브릿지(1970)를 포함한다. 제1 브릿지 부분(1971)은 연장하는 제2 브릿지 부분과 결합하는 암들(1971.1)을 포함해서, 브릿지(1970)는 캠샤프트가 통과하는 개구(O) 주위로 연장한다. 비록 두 개의 암이 본 예시에 도시되었지만, 이것은 오직 도시를 위한 목적이며 실제로 임의의 수의 암들이 사용될 수 있다. 그리하여, 단일 암은 "C-형" 브릿지를 구획하도록 사용될 수 있는 반면, 예컨대 평행한 이격된 한 쌍의 암 형태의, 두 개 이상의 암은 추가적인 내구성을 제공하도록 사용될 수 있다. 브릿지는 두 개의 몸체 부분으로 형성될 수 있지만, 이것은 필수적인 것이 아니며 단일 몸체로 사용될 수 있다.

제1 브릿지 부분(1971)은 축(1978)을 경유하여 제1 브릿지 부분에 회전하게 설치된 제2 캠 팔로워(1979)를 지지한다. 개방 제2 브릿지 부분을 나사로 결합하는 밸브 스템을 구비하는 것과 같은 적합한 체결기구를 사용하여, 밸브 씰(1964)은 밸브 스템(1963)을 경유하여 제1 브릿지 부분(1971)과 결합된다.

제2 브릿지 부분(1972)은 축(1979)을 경유하여 제2 브릿지 부분에 회전하게 결합된 제1 캠 팔로워(1977)를 지지하며, 제2 브릿지 부분을 통과하고 암(1971.1) 안으로, 또는 간섭 결합을 통과하는 볼트(1972.1) 등과 같은 적합한 체결기구를 통하여 제1 브릿지 부분(1971)의 암에 결합될 수 있다.

본 예시에서, 폐쇄 액츄에이터는 캠샤프트(1980)에 설치된 캠(1981) 형태로 구비되며, 캠샤프트는 캠샤프트의 회전에 따라 브릿지(1970)의 움직임을 제어하도록 제1 캠 팔로워(1977)와 결합된다. 그리하여, 캠(1981)은 캠샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지(1970)의 움직임을 제어하도록 구성될 수 있다. 특히, 캠(1981)은 도 20a 내지 20c에 도시된 것처럼 제1 방향(1991)에서 브릿지(1970)를 향하도록 사용될 수 있어서, 밸브 실(1964)이 밸브 시트와 결합하면, 밸브 실(1964)을 풀기 위해서 제2 방향으로 브릿지(1970)가 움직이도록 브릿지(1970)를 풀어 준다.

상기했듯이, 밸브 개방을 보조하기 위해서 편향 메커니즘이 사용될 수 있다. 본 예시에서, 캠샤프트(1980)에 설치된 제2 캠 형태의 씰 제동 브릿지(1970)는 브릿지(1970)를 제2 방향(1992)으로 향하도록 사용될 수 있다.

도 18a 및 18b의 이전 예시에서, 편향 부재는 밸브 개방을 유지하면서 스프링과 같은 제2 편향 메커니즘과 실을 제동하기 위해서 "키커" 캠으로서 사용된다. 하지만 본 경우에는, 제2 캠(1985)은 캠 로브가 제2 캠 팔로워(1979)를 결합하는 동안 실이 폐쇄되는 것을 방지하도록 작동한다. 특히, 이것은 밸브 실(1964)이 예컨대 고속 회전 상황 동안에 발생하는 것처럼 사이클의 개방 부분 동안에 밸브가 닫히도록 바운스될 수 있는 상황이다. 제2 캠(1985)을 제공함으로써, 밸브 실이 제1 캠의 작용에 의해서 완전히 닫힐 때까지 밸브 실(1964)이 폐쇄된 위치로 되돌아가는 것을 방지한다.

하나 이상의 스프링 또는 제2 캠(1985) 중 하나는 밸브를 개방 및/또는 예기치 않은 밸브 폐쇄를 방지하는데 도움을 줄 수 있지만, 이것이 모든 상황에서 요구되는 것은 아니며 예컨대 상기한 저 화전 상황에서 스프링 또는 제2 캠(1985)이 없는 대안의 장치들이 사용될 수 있다. 그리하여, 예컨대 제2 브릿지 부분(1972.2)은 제2 캠(1985)에 더하여 또는 대안으로 밸브에서 제2 방향으로 브릿지가 향하도록 브릿지에서 작용할 수 있다. 이것은 또한 밸브의 완충 안착에 도움이 되며 선형 안내를 제공할 수 있다. 게다가, 본 예시에서, 스프링(1972.4)은 브릿지의 선형 운동의 달성되는 것을 돕기 위해서 외부 가이드와 협력할 수 있는 원통형 하우징에 설치될 수 있다. 어떠한 경우에도, 본 예시에서, 제1 캠(1981)은 요구되는 드웰 각 및 상승 높이에 대하여 밸브의 파라미터들을 결정하도록 수치화된다. 제1 캠(1981)은 전체 작동 주기 내내 밸브를 위해 설정된 주기 파라미터들을 제어하며, 특히 폐쇄 밸브에 의해서 밸브 시트에 가해진 압력의 양 및 밸브의 폐쇄를 결정한다. 제1 캠(1981)은 또한 상승 높이를 결정하며 밸브 시트에서 밸브의 상승 및 리턴이 수행되는 방법을 결정하는 반면, 제2 캠(1985)은 밸브를 개방하도록 작동하며 의도치 않게 밸브가 닫히는 것을 방지한다.

상기된 제1 및 제2 캠(1981, 1985)은 밸브가 완전히 개방 및 폐쇄하도록 결합하여 작동하여서, 스프링 등과 같은 분리 편향 수단의 필요성을 제거한다. 사용된 특별한 장치는 많은 이점을 가진다.

먼저, 브릿지(1970)의 개구 내에 캠들(1981, 1985)을 제공함으로써 캠 팔로워들은 개구의 반대편 측면들에 구비될 수 있어, 제1 및 제2 캠 팔로워(1977, 1979)는 브릿지가 반대 방향으로 완전히 향하게 한다. 이는 완전한 선형 움직임을 가능하게 하고, 이에 의해 로커 암 또는 피봇의 사용으로 인한 추가적인 마모 및 비효율성을 제거한다.

둘째로, 이는 캠들이 통상의 캠샤프트에 동축으로 제공되는 되는 것을 가능하게 하며, 이에 의해 제1 캠 및 제2 캠의 완벽한 동기화를 보장한다. 이는 일부 엔진에서 발생하는 타이밍 문제를 방지하는데 도움이 된다.

셋째로, 도시된 구성에서, 제2 캠(1985)은 제1 캠(1981)보다 작다. 이는 캠샤프트(1980) 및 캠들(1981, 1985)이 단일 몸체로 만드는 것을 가능하게 한다. 이러한 관점에서, 물질의 로드는 제1 캠(1981)의 프로파일으로 먼저 만들어질 수 있으며, 제1 캠들의 위치들 중간의 지역들은 추가로 제2 캠들(1985)을 만들기 위해서 기계로 만들어질 수 있다.

게다가, 본 예시에서, 제2 캠(1985) 및 제2 캠 팔로워(1979)는 브릿지(1970)와 정렬되는 반면, 제1 캠(1981) 및 제1 캠 팔로워(1977)는 브릿지(1970)로부터 오프셋된다. 추가로, 본 예시에서, 두 개의 제1 캠(1981) 및 두 개의 제2 캠 팔로워(1977)는 브릿지 상의 힘들이 균형이 맞춰지도록 브릿지(1970)의 양 측면에 대칭적으로 설치되어서, 마모를 감소시키며 효율을 증대시킨다. 이것은 필수적인 것이 아니며, 예컨대 임의의 수의 제1 또는 제2 캠(1981, 1985) 및 상응하는 캠 팔로워(1977)를 제공하는 것, 또는 브릿지(1970)로부터 오프셋 하지 않게 브릿지 내에 제1 및 제2 캠(1981, 1985) 및 캠 팔로워(1977, 1979)를 제공하는 것을 포함하는, 임의의 적절한 장치가 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

추가로, 본 예시에서, 브릿지(1970)는 엔진 또는 다른 피스톤 기계 내에 조립을 용이하게 하도록 두 개의 브릿지 부분으로 형성된다. 이것은, 제2 브릿지 부분(1971)이 제1 브릿지 부분(1971)과 결합되기 전에, 캠샤프트가 위치되고, 제1 브릿지 부분(1971)이 설치되면서, 밸브 실(1964) 상부가 엔지의 헤드에 설치되는 것을 가능하게 한다. 이것은 또한 예컨대 가변 장력을 제공하기 위한 브릿지의 조절을 가능하게 하여, 연장된 사용에 이어지는 밸브 시트의 신장을 위한 공간을 제공한다. 특히, 이러한 조절은 제2 브릿지 부분(1972)을 사용할 때 필요로 하며, 이것은 통상적으로 엔진 내에서 접근할수록 조절 과정이 좀 더 쉽다.

일 예시에서, 이것은 제2 브릿지 부분(1972)의 나머지 부분에 대하여 이동될 수 있어 캠 팔로워(1977)의 위치를 조절 가능하게 하는 제2 브릿지 부분(1972)의 조절부(adjustable section)(1972.2)를 이용하여 달성될 수 있다. 하지만, 조절은 두 개의 브릿지 부분을 가지는 브릿지의 사용 없이, 예컨대 심 등을 사용하여 또한 제공될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

추가로, 제2 브릿지 부분(1972)는, 제1 캠 팔로워(1977)를 제2 방향(1922)에서 제1 캠(1981) 쪽으로 향하도록 하기 위해서, 웨이브 스프링 또는 다른 편향 장치와 같은 스프링(1972.3)을 통합할 수 있다. 이것은 제1 캠 팔로워(1977) 및 제1 캠(1981) 사이의 완전한 결합을 보장하는 것을 포함하는 많은 이점들을 제공할 수 있다. 또한, 이것이 밸브 채터(chatter)를 줄이는데 도움을 줄 수 있는 캠 로브들 사이의 이송을 위한 완충뿐만 아니라 생산에서 큰 허용 오차를 가능하게 하여 제조하기 쉽고 마모 및 조절이 뛰어난 장치를 제공한다. 이것은 또한 밸브 시트 마모를 줄이는데 도움을 주는 완충 밸브 폐쇄를 돕는다. 이것은 비-선형 장치의 경우에는 아니지만 쉬운 방법으로 성취될 수 있다. 유사한 이점들은 제2 캠(1985) 쪽으로 제2 캠 팔로워(1979)를 향하도록 제1 브릿지 부분(1971)에서 스프링(1972.3)을 제공함으로써, 또는 제1 및 제2 캠 팔로워(1977, 1979) 모두와 결합된 스프링 또는 다른 편향 장치를 제공함으로써 획득될 수 있다.

상기한 장치는 복수의 인라인 밸브 배열를 포함하도록 추가로 확장될 수 있으며, 다수의 브릿지(1970)는 각 브릿지(1970)의 개구(O)를 통하여 연장하는 공통 캠샤프트를 경유하여 작동된다. 이것은 타이밍이 캠샤프트 구성에 기반한 밸브들 사이에서 쉽게 동기화되게 하면서 동시에 복수의 밸브를 활성화하는 능력을 제공한다. 이러한 관점에서, 캠샤프트는 하나의 통합된 몸체로 형성될 수 있으며, 이것이 밸브의 상대적인 타이밍에 이동되는 것을 방지함으로써, 밸브는 지연된 사용 후에서 동기화하여 작동한다.

따라서 상기 예시는 피스톤 기계에서 사용되는 밸브 배열를 설명한 것이며, 상기 피스톤 기계는 포트를 통하여 유체 흐름을 작동적으로 제어하기 위한 밸브, 제1 방향으로의 브릿지의 선형 움직임이 밸브를 폐쇄하고 제2 방향으로의 브릿지의 선형 움직임은 밸브를 개방하도록 밸브에 결합된 브릿지, 제1 캠 로브를 가지는 회전식 제1 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터, 및 적어도 밸브를 완전히 개방하기 위해서 제2 방향으로 브릿지를 이동하도록 하는 개방 엑추에이터를 포함하며, 제1 캠의 회전시, 제1 캠 로브는 밸브를 완전히 폐쇄하도록 브릿지를 제1 방향으로 향하게 한다.

이것은 사용될 브릿지가 밸브의 선형 개방을 성취하는 것을 가능하게 하는 기계 장치를 제공하며, 본 기계 장치는 마모를 줄이고 작동 효율을 증가시킬 수 있다.

일 예시에서, 밸브 배열는 브릿지에 설치된 제1 캠 팔로워, 제1 선형 방향으로 브릿지의 움직임을 일으키는 제1 캠과 협력하는 제1 캠 팔로워를 포함한다. 하지만, 대안으로 캠은 분리된 별개의 팔로워를 요구하지 않고 직접 브릿지를 연결할 수 있다.

두 경우에, 제1 캠은 제1 캠 팔로워(또는 캠에 의해서 결합된 브릿지의 부분)와 밸브 사이에 위치되어, 밸브를 폐쇄를 위해 사용되도록 밸브로부터 떨어져 제1 방향으로 브릿지의 선형 운동을 허용한다. 이것은 캠 로브가 더 신뢰성 있는 밸브 폐쇄를 가능하게 하는 밸브의 완전한 폐쇄를 가능하게 한다.

일 예시에서, 제1 캠 팔로워는 브릿지에 이동 가능하게 설치된다. 이것은, 제1 캠 팔로워가 장치에 허용 오차를 제공하기 위해서 편향 스프링에 의해서 브릿지에 대하여 제2 방향으로 향하도록 허용하는 것, 또는 제1 캠 팔로워의 위치가 밸브 리프트의 각도를 조절하도록 제1 또는 제2 방향 모두로 조절될 수 있도록 허용하는 것을 위해 설치될 수 있다.

개방 액츄에이터는 통상적으로 제2 캠 로브를 가지는 회전식 제2 캠을 포함하며, 제2 캠의 회전시, 제2 캠 로브는 제2 방향으로 브릿지를 향하게 하여 밸브를 완전히 개방한다. 하지만, 대안으로 편향 스프링이 사용될 수 있다.

제2 캠을 사용하는 경우에, 밸브 배열는 통상적으로 브릿지에 설치된 제2 캠 팔로워를 포함하며, 제2 캠 팔로워는 제2 선형 방향으로 제2 브릿지의 움직임을 야기하도록 제2 캠과 협력한다. 본 경우에, 제2 캠 팔로워는 일반적으로 제2 캠 및 밸브 사이에 웨치된다.

본 장치에서, 제2 캠은, 예컨대 공통 캠샤프트에 제1 및 제2 캠을 제공함으로써, 제1 캠과 동축으로 회전하게 고정된다. 이것은 캠들을 제조하고 캠들을 캠샤프트에 부착함으로써 달성될 수 있으며, 그러나 보다 통상적으로 제1 및 제2 캠은 캠샤프트의 일부로써 통합적으로 형성된다.

밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격된 적어도 두 개의 제1 캠을 포함할 수 있으며, 적어도 두 개의 제1 캠은 브릿지에 설치된 상응하는 적어도 두 개의 제1 캠 팔로워와 협력한다. 이것은 브릿지에 가해진 힘의 균형을 맞추기 위해서 사용될 수 있다.

대안으로, 밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격된 적어도 두 개의 제2 캠을 포함할 수 있으며, 적어도 두 개의 제2 캠은 브릿지에 설치된 상응하는 적어도 두 개의 제2 캠 팔로워와 협력한다.

추가 예시에서, 캠 로브가 제1 선형 방향으로 브릿지를 향하게 하지 않을 때 제2 캠 로브는 제1 선형 방향으로의 브릿지의 움직임을 더 제한한다.

일 예시에서, 밸브 배열는 제1 및 제2 브릿지 부분을 포함한다. 필수적이지 않지만, 이것은, 예컨대 밸브 구성부품들에 좀더 쉬운 접근을 가능하게 함으로써, 밸브 배열의 유지 보수 및 제조의 관점에서 이점일 수 있다.

일 예시에서, 제1 및 제2 브릿지 부분은 제1 및 제2 브릿지 사이의 개구를 구획하며, 캠샤프트가 작동 중 개구를 통하여 연장한다. 추가로, 밸브는 제1 브릿지 부분과 결합될 수 있으며, 밸브 배열는 제2 브릿지 부분에 설치된 제1 캠 팔로워 및 제1 브릿지 부분에 결합된 제2 캠 팔로워를 포함한다.

밸브 배열는 브릿지로부터 측면으로 오프셋된 적어도 하나의 캠 및 캠 팔로워를 포함할 수 있으며, 보다 일반적으로 캠 및 캠 팔로워는 브릿지에 가해진 힘의 균형을 맞추기 위해서 브릿지의 양 측면에 대칭으로 살치된다.

밸브 배열는 또한 통상적으로 복수의 밸브, 브릿지, 및 이격된 장치에서 개방 액츄에이터들을 포함하며, 각 개방 액츄에이터는 공통 캠샤프트에 설치된 적어도 하나의 제1 캠을 포함한다.

따라서, 상기한 기술들, 특히 밸브 제어 과정들은 왕복운동 엔진, 컴프레서 등을 포함하는 임의의 피스톤 기계에 적용될 수 있다.

이러한 관점에서, 피스톤 기계는 통상적으로 회전 샤프트, 내부 챔버를 구획하는 하우징, 챔버에 위치된 피스톤, 챔버 및 챔버 및 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 하우징에 구비된 포트, 및 포트를 통하여 유체 흐름을 작동적으로 제어하기 위한 밸브, 밸브에 결합된 브릿지, 브릿지가 피스톤의 왕복운동에 기반하여 제1 방향으로 움직이도록 야기하여 밸브를 완전히 폐쇄하도록 하기 위한 폐쇄 액츄에이터, 및 제2 방향 쪽으로 브릿지를 편향시키기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 밸브 배열를 포함하며, 상기 피스톤은 샤프트에 연결되고 샤프트가 회전할 때 챔버 내에서 이동하도록 구성되며, 제1 방향으로의 브릿지의 움직임은 밸브를 폐쇄하고 제2 방향으로의 브릿지의 움직임은 밸브를 개방한다.

상기한 장치는 특히 작업 효율을 제공한다. 특히, 통상적인 피스톤 엔진/컴프레서 장치의 경우처럼, 밸브를 폐쇄하기 위해서 편향 스프링을 사용하는 것과 대조적으로, 액츄에이터가 밸브를 완전히 폐쇄하기 위해서 사용된다. 이러한 경우에, 밸브를 개방하기 위해서 더 약한 스프링이 사용될 수 있어, 밸브를 개방 및 폐쇄하기 위해 요구되는 전체적인 에너지가 일반적인 밸브 배열와 비교할 때 상당히 줄어든다.

일 예시에서 이는 브릿지의 상승을 가능하게 하는 신장된 로브를 가지는 캠을 사용하여, 캠 회전 주기의 큰 부분을 위해 밸브를 폐쇄함으로써 달성될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 그리하여, 기계적으로 밸브를 폐쇄하면, 밸브의 개방을 가능하게 하기 위해 더 약한 스프링을 사용하는 것으로 에너지 효율을 증가시킨다. 이는 연소 엔진에서 6-8%의 효율 상승을 보여줄 수 있으며, 다른 적용에서는 더 큰 잠재적인 효율 상승을 보여줄 수 있다.

상술한 장치의 다른 이점은 브릿지의 사용이 밸브의 선형 작동을 가능하게 한다는 점이다. 특히, 회전식 캠은 브릿지의 선형 움직임을 야기하도록 사용될 수 있으며, 이것은 밸브의 선형 움직임으로 이어진다. 그리하여, 상기했듯이, 이는 에너지 효율 및 마모 특성면에서 추가적인 향상으로 이어질 수 있다.

상술한 장치들은 피스톤 기계에서 사용되는 밸브 배열와 또한 관련될 수 있음이 이해되어야 하며, 상기 밸브 배열는 포트를 통하여 유체 흐름을 작동적으로 제어하기 위한 밸브, 밸브와 결합된 브릿지, 캠 로브를 가지는 회전식 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터, 및 적어도 하나의 편향 부재가 밸브가 액츄에이터에 의해서 완전히 폐쇄되지 않을 때 밸브를 개방하도록 제2 방향으로 브릿지를 편향하기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하며, 제1 방향으로의 브릿지의 선형 움직임은 밸브를 폐쇄하고 제2 방향으로의 브릿지의 선형 움직임은 밸브를 개방하며, 캠의 회전시 캠 로브는 제1 선형 방향으로 브릿지를 향하게 하여 밸브를 완전히 폐쇄한다.

또한, 상기한 기술들은 밸브 그룹이 있는 피스톤 기계들에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 본 예시에서, 피스톤 기계는 회전식 샤프트, 내부 챔버를 구획하는 하우징, 챔버에 위치된 피스톤, 피스톤을 마주하는 단부에서 챔버를 폐쇄하며 실린더에 부착된 헤드, 헤드에 결합된 밸브 배열를 포함하며, 상기 피스톤은 샤프트에 연결되고 샤프트가 회전할 때 챔버 내부로 이동하도록 구성되며, 헤드는 챔버 및 각 매니폴드 사이의 유체소통을 가능하게 하는 두 개 이상의 부분을 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하며, 상기 각 밸브 배열는 각 포트를 통하여 유체 흐름을 작동적으로 제어하기 위한 밸브, 밸브와 결합된 브릿지 및 브릿지를 이동하게 하는 액츄에이터를 포함하며, 헤드에 대한 브릿지의 움직임은 밸브의 동기화된 작동을 야기한다.

상기한 밸브 배열들은 2행정 디자인의 공기 엔진 또는 4행정 디자인의 내연 엔진뿐만 아니라 컴프레서 등을 포함하는 다양한 범위의 어플리케이션에 사용될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

밸브 배열들은 선호되는 설치에 따라 다른 수의 로브들을 포함할 수 있다. 예컨대, 2행정 배열에 사용될 때, 캠은 통상적으로 밸브 세트당 하나의 로브를 기지는 반면, 4행정 디자인에서는 2개 이상 및 보다 일반적으로는 밸브 또는 밸브 세트당 3개의 로브가 사용될 수 있다.

많은 구성부품들이 다른 어플리케이션 사이에서 교환가능해서, 예컨대 복수-구역의 크랭크샤프트 및/또는 공기 엔진에서 사용되는 트윈 암형 연결 로드가 IC엔진에서 사용될 수 있음이 이해되어야 할 것이다.

이 시스템은 역 밸브, 일반 밸브 등을 포함하는 넓은 범위의 밸브 구성과 사용될 수 있다. 하나의 특정한 예시에서, 공기 엔진 및 IC 엔지 모두에서 헤드로부터 멀리 브릿지를 올리는 것은 밸브를 닫을 것이며 헤드 쪽으로 브릿지를 내리는 것은 밸브를 개방할 것이다.

이 시스템은 밸브 스템의 장력을 변화하는 것을 쉽게 수용할 수 있어서, 밸브 시트/푸쉬 로드 배열의 신장을 수용하도록 밸브 배열를 좀 더 쉽게 조절하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 장력 장치의 제조가 엔진이 작동할 때 IC 엔진의 가열에 의해서 발생되는 밸브 스템 비용을 보상하도록 사용될 수 있다.

장치는 공통 캠샤프트에 의해서 구동되는 단일 밸브 또는 복수 밸브 세트 내에서 사용될 수 있어서, 복수 밸브들 사이의 타이밍이 유지될 수 있다.

밸브 배열는 특히 2행정 형식에서 효율을 향상시키기 위해서 왕복운동 컴프레서에 사용될 수 있다. 본 예시에서, 편향 장치는 두 개의 행정 작동으로 인해 사용될 수 있으며 내부 챔버 압력을 낮춘다. 대조적으로, IC 엔진에서, 이러한 편향 장치는 필요하지 않으며, 대신에 "키커" 배열이 밸브의 개방을 용이하게 하기 위해서 사용될 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 사용될 때, 키커 캠은 개방을 수행하지만 브릿지의 운동을 결정하기 위해 주요 캠 로브의 파라미터 및 따라서 밸브 또는 밸브들의 타이밍에 의존한다.

하나의 특정한 배열에서, 브릿지의 사용은 팔로워들이 밸브 스템 축과 실질적으로 직렬로 구비되는 것을 가능하기 때문에 특히 효율적이며, 이는 상술했듯이 운동이 선형이고 따라서 마모를 줄이고 효율을 향상시키는 것을 의미한다.

이하의 청구항 및 상기 상세한 설명에서, 문맥상 요구되지 않는 한, 단어"포함하는(comprise, comprises, comprising)"는 기재된 구성 또는 구성들의 집합 또는 단계들을 포함하는 것을 의미하고 다른 임의의 구성 또는 구성들의 집합을 제외하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

통상의 기술자는 다양한 변형 및 수정이 자명한 것임을 이해할 것이다. 통상의 기술자에게 자명한 모든 이러한 변형 및 수정은 상술한 대략적으로 나타나는 본 발명의 범위에 포함되어야만 한다.

Claims (97)

1. a) 크랭크샤프트;
   b) 내부 챔버를 형성하는 실린더;
   c) 챔버 내에 위치하고, 크랭크샤프트와 연결되며, 챔버 내부에서 왕복운동하도록 구성되는 피스톤;
   d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및
   e) 각 포트 그룹에 대하여:
   i) 포트 그룹의 각 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
   ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
   iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 움직이게 하기 위한 액츄에이터(actuator)를 각각 포함하고, 헤드와 연결되는 밸브 배열를 포함하며,
   헤드에 대한 브릿지의 운동은 밸브의 동기화된 작동을 야기하는 왕복운동 엔진.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 액츄에이터는 크랭크샤프트에 회전식으로 연결되는 캠샤프트에 장착되는 캠을 포함하며, 상기 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 운동을 제어하도록 구성되는 왕복운동 엔진.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 브릿지는 캠을 체결하기 위한 캠 팔로워(cam follower)를 포함하는 왕복운동 엔진.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 액츄에이터는 브릿지를 헤드로부터 멀어지게 하는 왕복운동 엔진.
5. 제 4 항에 있어서,
   각 밸브 배열는 브릿지를 헤드를 향해 편향시키기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 편향 부재는 스프링인 왕복운동 엔진.
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 밸브 배열는 헤드로부터 멀어지는 브릿지의 운동을 통해 밸브가 각각의 포트를 닫도록 구성되는 왕복운동 엔진.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 편향 부재는 브릿지가 헤드로 이동하도록 보조함으로써 밸브가 각각의 포트를 열게 하는 왕복운동 엔진.
9. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   적어도 하나의 밸브 배열는 헤드로부터 멀어지는 브릿지의 운동을 통해 밸브가 각각의 포트를 열도록 구성되는 왕복운동 엔진.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 편향 부재는 브릿지가 헤드로 이동하도록 보조함으로써 밸브가 각각의 포트를 닫게 하는 왕복운동 엔진.
11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 브릿지가 헤드로 향하도록 하는 왕복운동 엔진.
12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 피스톤의 왕복운동에 기반하여 제어가능하게 브릿지가 헤드로 향하고 헤드로부터 멀어지도록 하는 왕복운동 엔진.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 밸브는:
    a) 브릿지와 연결되는 연장 스템(elongate stem); 및
    b) 각각의 포트의 열림을 밀봉하여 포트를 닫기 위한 상기 스템의 단부에 있는 플러그를 포함하는 왕복운동 엔진.
14. 제 13 항에 있어서,
    각 밸브의 스템은 헤드에 위치한 밸브 가이드에 의해 방사형으로 지지되는 왕복운동 엔진.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    밸브 배열들 중 하나의 밸브에 대해, 밸브는 플러그가 헤드로 이동하도록 브릿지에 의해 들어올려져 열리는 왕복운동 엔진.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤은 실린더에 대해 횡방향으로 왕복운동하며, 브릿지는 횡방향으로 이동하여 밸브가 횡방향으로 이동하도록 하는 왕복운동 엔진.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브는 브릿지의 중심면에 대해 대칭으로 브릿지와 연결되는 왕복운동 엔진.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은:
    a) 헤드에서: i) 챔버와 흡기 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 흡기 포트(inlet port)와; ii) 챔버와 배기 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 배기 포트(exhaust port);
    b) 흡기 포트 그룹의 각각의 흡기 포트를 통한 유체 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브 및 흡기 밸브와 연결되는 흡기 브릿지를 포함하는 흡기 밸브 배열; 및
    c) 배기 포트 그룹의 각각의 배기 포트를 통한 유체 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브 및 배기 밸브와 연결되는 배기 브릿지를 포함하는 배기 밸브 배열를 포함하는 왕복운동 엔진.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 흡기 밸브는 흡기 브릿지가 헤드로부터 멀어질 때 열리도록 구성되고, 상기 배기 밸브는 배기 브릿지가 헤드로부터 멀어질 때 닫히도록 구성되는 왕복운동 엔진.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 흡기 브릿지는 흡기 캠에 의해 헤드로부터 멀어지며, 상기 배기 브릿지는 배기 캠에 의해 헤드로부터 멀어지는 왕복운동 엔진.
21. 제 20 항에 있어서,
    흡기 캠 및 배기 캠은 크랭크샤프트와 연결되는 하나의 캠 샤프트에 장착되는 왕복운동 엔진.
22. 제 19 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,
    흡기 밸브 어셈블리는 흡기 브릿지를 헤드로 향하게 하여 흡기 밸브를 닫힌 위치로 편향시키기 위한 적어도 하나의 흡기 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
23. 제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기 밸브 어셈블리는 배기 브릿지를 헤드로 향하게 하여 배기 밸브를 열린 위치로 편향시키기 위한 적어도 하나의 배기 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
24. 제 18 항에 있어서,
    흡기 밸브는 흡기 브릿지가 헤드로부터 멀어질 때 닫히도록 구성되고, 배기 밸브는 배기 브릿지가 헤드로부터 멀어질 때 닫히도록 구성되는 왕복운동 엔진.
25. 제 24 항에 있어서,
    흡기 밸브 어셈블리는 흡기 브릿지를 헤드로 향하게 하여 흡기 밸브를 열린 위치로 편향시키기 위한 적어도 하나의 흡기 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
26. 제 24 항 또는 제 25 항에 있어서,
    배기 밸브 어셈블리는 배기 브릿지를 헤드로 향하게 하여 배기 밸브를 열린 위치로 편향시키기 위한 적어도 하나의 배기 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
27. 제 18 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기 포트 그룹은 흡기 그룹에 비해 더 많은 수의 포트를 포함하는 왕복운동 엔진.
28. 제 18 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
    배기 포트 그룹의 배기 포트를 통한 총 배기 흐름 영역은 흡기 포트 그룹의 흡기 포트를 통한 총 흡기 흐름 영역보다 더 큰 왕복운동 엔진.
29. 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤은 오목한 피스톤 면을 가지는 왕복운동 엔진.
30. 제 1 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    크랭크샤프트는 롤러 베어링(roller bearings)을 사용하여 엔진 내에서 지지되는 왕복운동 엔진.
31. 제 1 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
    피스톤은 피스톤과 실린더의 벽들 사이에 실(seal)을 형성하기 위한 피스톤 실을 포함하는 왕복운동 엔진.
32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진은 각각의 피스톤, 헤드 및 밸브 어셈블리를 각각 가지는 복수의 실린더를 포함하는 왕복운동 엔진.
33. 제 32 항에 있어서,
    동일한 피스톤, 헤드 및 밸브 어셈블리는 복수의 실린더 중 각 실린더에 대해 사용되는 왕복운동 엔진.
34. 제 33 항에 있어서,
    밸브 어셈블리는 적어도 하나의 실린더에 대한 흡기 포트가 모든 크랭크샤프트 회전 위치에 대해 열리도록 구성되는 왕복운동 엔진.
35. a) 가스를 수용하고 가스를 가압하여 가압 가스를 공급하는 가스 컴프레서와;
    b) 제 1 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 따른 엔진을 포함하는 발전 시스템으로서,
    상기 엔진은 엔진이 가압 가스에 의해 구동되도록 가스 컴프레서로부터 가압 가스를 수용하도록 구성되는 발전 시스템.
36. 제 35 항에 있어서,
    상기 시스템은 엔진과 연결되는 발전기를 더 포함하는 발전 시스템.
37. 제 36 항에 있어서,
    상기 발전기는:
    a) 전기 부하;
    b) 전기 저장소;
    c) 전기 모터; 및
    d) 가스 컴프레서 중 적어도 하나에 전력을 공급하기 위한 것인 발전 시스템.
38. 제 35 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    엔진은 주변 온도보다 낮은 배기 온도를 가지는 배기 가스를 배출하고,
    상기 배기 가스는:
    a) 냉각(cooling);
    b) 설비의 냉각;
    c) 냉동(refrigeration); 및
    d) 공기-조절(air-conditioning) 중 적어도 하나를 위해 사용되는 발전 시스템.
39. 제 35 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스 컴프레서는 내연 엔진에 의해 구동되는 발전 시스템.
40. 제 39 항에 있어서,
    내연 엔진은 엔진에 의해 배출된 배기 가스로 냉각되는 발전 시스템.
41. 제 39 항 또는 제 40 항에 따른 발전 시스템을 포함하는 차량 발전소.
42. 제 41 항에 있어서,
    차량은 휠(wheels)을 포함하며, 엔진은 구동열(drive train)과 기계식으로 연결되어 차량의 휠을 구동하는 차량 발전소.
43. 제 41 항 또는 제 42 항에 있어서,
    상기 시스템은 가압 가스가 가스 컴프레서에 의해 공급될 때 엔진을 구동하는데 사용되지 않는 임의의 가압 가스를 저장하기 위한 저장소를 포함하며, 상기 저장소는 가압 가스를 엔진으로 제어가능하게 공급하도록 구성되는 차량 발전소.
44. 가압 가스로 구동되도록 구성되는 가압 가스 엔진으로서,
    상기 가압 가스 엔진은:
    a) 크랭크샤프트;
    b) 내부 챔버를 형성하는 실린더;
    c) 챔버 내에 위치하고, 크랭크샤프트와 연결되며, 챔버 내부에서 왕복운동하도록 구성되는 피스톤;
    d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및
    e) 각 포트 그룹에 대하여:
    i) 포트 그룹의 각 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
    iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 움직이게 하기 위한 액츄에이터(actuator)를 각각 포함하고, 헤드와 연결되는 밸브 배열를 포함하며,
    헤드에 대한 브릿지의 운동은 밸브의 동기화된 작동을 야기하는 가압 가스 엔진.
45. 제 44 항에 있어서,
    상기 가압 가스 엔진은:
    a) 헤드에서: i) 챔버와 흡기 매니폴드 사이의 가압 가스의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 흡기 포트(inlet port)와; ii) 챔버와 배기 매니폴드 사이의 배기 가스의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 배기 포트(exhaust port);
    b) 흡기 포트 그룹의 각각의 흡기 포트를 통한 가압 가스 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브 및 흡기 밸브와 연결되는 흡기 브릿지를 포함하는 흡기 밸브 배열; 및
    c) 배기 포트 그룹의 각각의 배기 포트를 통한 배기 가스 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브 및 배기 밸브와 연결되는 배기 브릿지를 포함하는 배기 밸브 배열를 포함하는 가압 가스 엔진.
46. a) 크랭크샤프트;
    b) 내부 챔버를 형성하는 실린더;
    c) 챔버 내에 위치하고, 크랭크샤프트와 연결되며, 챔버 내부에서 왕복운동하도록 구성되는 피스톤;
    d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및
    e) 각 포트 그룹에 대하여:
    i) 포트 그룹의 각 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
    iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 움직이게 하기 위한 액츄에이터(actuator)를 각각 포함하고, 헤드와 연결되는 밸브 배열를 포함하며,
    헤드에 대한 브릿지의 운동은 밸브의 동기화된 작동을 야기하는 내연 엔진.
47. 제 46 항에 있어서,
    상기 내연 엔진은:
    a) 헤드에서: i) 챔버와 흡기 매니폴드 사이의 연료-공기 혼합물의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 흡기 포트(inlet port)와; ii) 챔버와 배기 매니폴드 사이의 배기 가스의 유체 소통을 가능하게 하기 위한 배기 포트(exhaust port);
    b) 흡기 포트 그룹의 각각의 흡기 포트를 통한 연료-공기 혼합물의 흐름을 제어하기 위한 흡기 밸브 및 흡기 밸브와 연결되는 흡기 브릿지를 포함하는 흡기 밸브 배열; 및
    c) 배기 포트 그룹의 각각의 배기 포트를 통한 배기 가스의 흐름을 제어하기 위한 배기 밸브 및 배기 밸브와 연결되는 배기 브릿지를 포함하는 배기 밸브 배열를 포함하는 내연 엔진.
48. 제 46 항 또는 제 47 항에 있어서,
    상기 내연 엔진은:
    a) 발화 소스(ignition source);
    b) 예열 플러그(glow plug); 및
    c) 연료 분사기 중 적어도 하나를 포함하는 내연 엔진.
49. a) 크랭크샤프트;
    b) 내부 챔버를 형성하는 실린더;
    c) 챔버 내에 위치하고, 크랭크샤프트와 연결되며, 챔버 내부에서 왕복운동하도록 구성되는 피스톤;
    d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및
    e) i) 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
    iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 제1 방향으로 움직이게 하여 밸브를 확실히 닫기 위한 폐쇄 액츄에이터(closing actuator); 및
    iv) 브릿지를 제2 방향으로 편향시키기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 밸브 배열를 포함하며,
    제1 방향으로의 브릿지의 운동은 밸브를 닫게 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 운동은 밸브를 열게 하는 왕복운동 엔진.
50. 제 49 항에 있어서,
    상기 밸브 배열는 폐쇄 액츄에이터가 밸브를 확실히 닫는데 사용되고 있지 않을 때 편향 부재가 밸브를 열게 하도록 구성되는 왕복운동 엔진.
51. 제 49 항 또는 제 50 항에 있어서,
    폐쇄 액츄에이터는 크랭크샤프트와 회전식으로 연결되는 캠샤프트에 장착된 캠을 포함하며, 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 운동을 제어하도록 구성되고, 브릿지는 캠을 체결하기 위한 캠 팔로워를 포함하는 왕복운동 엔진.
52. 제 51 항에 있어서,
    브릿지는 밸브가 연결되는 제1 브릿지 부분 및 캠 팔로워를 포함하는 제2 브릿지를 포함하는 왕복운동 엔진.
53. 제 52 항에 있어서,
    브릿지는 제1 브릿지 부분과 제2 브릿지 부분 사이의 공동(cavity)을 형성하며, 캠샤프트는 공동을 통해 뻗어있는 왕복운동 엔진.
54. 제 49 항 내지 제 53 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 편향 부재는 브릿지와 연결되는 스프링인 왕복운동 엔진.
55. 제 54 항에 있어서,
    각각의 스프링은 압축된 스프링이 브릿지를 제2 방향으로 향하게 하여 폐쇄 액츄에이터가 밸브를 확실히 닫는데 사용되고 있지 않을 때 밸브를 열기 위해 밸브를 확실히 닫는데 폐쇄 액츄에이터를 사용하여 브릿지가 제1 방향으로 움직일 때 스프링이 압축되도록 브릿지와 연결되는 왕복운동 엔진.
56. 제 54 항 또는 제 55 항에 있어서,
    각각의 스프링은 헤드로부터 외부로 뻗어있는 스터드(stud)에 장착되는 왕복운동 엔진.
57. 제 49 항 내지 제 56 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 밸브에 대해 대칭으로 배열되는 한 쌍의 편향 부재를 포함하는 왕복운동 엔진.
58. 제 49 항 내지 제 57 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 방향으로의 브릿지의 운동은 브릿지가 헤드로부터 멀어지는 것을 포함하고, 제2 방향으로의 브릿지의 운동은 브릿지가 헤드를 향해 움직이는 것을 포함하는 왕복운동 엔진.
59. 제 49 항 내지 제 58 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 브릿지와 연결되는 2 이상의 밸브를 포함하며, 각 밸브는 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어되며, 그에 따라 브릿지의 운동이 2 이상의 밸브의 동기화된 동작을 야기하는 왕복운동 엔진.
60. 제 49 항 내지 제 59 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 압축된 가스로 구동되도록 구성되는 가압 가스 엔진인 왕복운동 엔진.
61. 제 49 항 내지 제 60 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엔진은 내연 엔진이며,
    a) 발화 소스;
    b) 예열 플러그; 및
    c) 연료 분사기 중 적어도 하나를 더 포함하는 왕복운동 엔진.
62. 제 49 항에 있어서,
    밸브 배열는 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 제2 방향으로 움직이게 하여 밸브를 확실히 열기 위한 개방 액츄에이터(opening actuator)를 더 포함하는 왕복운동 엔진.
63. 제 49 항 내지 제 62 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 밸브가 닫힌 후에 포트와 밸브 사이의 실을 확실히 제동하도록 브릿지가 제2 방향으로 움직이게 하기 위한 씰 제동 액츄에이터(seal breaking actuator)를 포함하는 왕복운동 엔진.
64. 제 63 항에 있어서,
    폐쇄 액츄에이터는 크랭크샤프트와 회전식으로 연결되는 캠샤프트에 장착되는 제1 캠을 포함하고, 씰 제동 액츄에이터는 동일한 캠샤프트에 장착되는 제2 캠을 포함하며, 제1 및 제2 캠은 크랭크샤프트의 회전 위치에 따라 브릿지의 운동을 제어하도록 구성되는 왕복운동 엔진.
65. 제 64 항에 있어서,
    제1 캠은 제1 캠 로브(cam lobe)를 포함하고 제2 캠은 제2 캠 로브를 포함하며, 캠샤프트의 회전시, 제1 캠 로브는 브릿지를 제1 방향으로 향하게 하여 밸브를 확실히 닫으며, 제2 캠 로브는 브릿지를 제2 방향으로 향하게 하여 실을 확실히 제동하는 왕복운동 엔진.
66. 제 64 항 또는 제 65 항에 있어서,
    브릿지는 제1 캠을 체결하기 위한 제1 캠 팔로워 및 제2 캠을 체결하기 위한 제2 캠 팔로워를 포함하는 왕복운동 엔진.
67. 제 66 항에 있어서,
    브릿지는:
    a) 밸브와 연결되고, 제2 캠 팔로워를 포함하는 제1 브릿지 부분; 및
    b) 제1 캠 팔로워를 포함하는 제2 브릿지 부분을 포함하는 왕복운동 엔진.
68. 제 67 항에 있어서,
    캠샤프트는 제1 브릿지 부분과 제2 브릿지 부분 사이에 뻗어있는 왕복운동 엔진.
69. 제 49 항 내지 제 68 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 편향 부재가 밸브의 폐쇄를 완충하도록 구성되는 왕복운동 엔진.
70. a) 회전 샤프트;
    b) 내부 챔버를 형성하는 하우징;
    c) 챔버에 위치하고, 샤프트와 연결되며, 샤프트가 회전할 때 챔버 내부에서 움직이도록 구성되는 피스톤;
    d) 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 흐름을 가능하게 하기 위해 하우징에 제공되는 포트; 및
    e) i) 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
    iii) 피스톤의 왕복운동에 기반하여 브릿지를 제1 방향으로 움직이게 하여 밸브를 확실히 닫기 위한 폐쇄 액츄에이터(closing actuator); 및
    iv) 브릿지를 제2 방향으로 편향시키기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하는 밸브 배열를 포함하며,
    제1 방향으로의 브릿지의 운동은 밸브를 닫게 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 운동은 밸브를 열게 하는 피스톤 머신.
71. 제 70 항에 있어서,
    상기 피스톤 머신은 컴프레서와 왕복운동 엔진 중 적어도 하나인 피스톤 머신.
72. a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    b) 밸브와 연결되는 브릿지;
    c) 캠의 회전시 브릿지를 제1 선형 방향으로 향하게 하여 밸브를 확실히 닫는 캠 로브를 가지는 회전식 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터; 및
    d) 밸브가 액츄에이터에 의해 확실히 닫히지 않을 때 적어도 하나의 편향 부재가 밸브를 열도록 브릿지를 제2 선형 방향으로 편향시키기 위한 적어도 하나의 편향 부재를 포함하며,
    제1 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 닫게 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 열게 하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
73. a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    b) 밸브와 연결되는 브릿지;
    c) 제1 캠의 회전시 브릿지를 제1 선형 방향으로 향하게 하여 밸브를 확실히 닫는 제1 캠 로브를 가지는 회전식 제1 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터; 및
    d) 브릿지를 제2 방향으로 움직여서 밸브를 적어도 확실히 열기 위한 개방 액츄에이터를 포함하며,
    제1 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 닫게 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 열게 하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
74. 제 73 항에 있어서,
    밸브 배열는 브릿지에 장착되는 제1 캠 팔로워를 포함하며, 제1 캠 팔로워는 제1 선형 방향으로의 브릿지의 운동을 야기하도록 제1 캠과 연동하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
75. 제 74 항에 있어서,
    제1 캠은 제1 캠 팔로워와 밸브 사이에 위치하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
76. 제 75 항에 있어서,
    제1 캠 로브는 제1 캠 팔로워를 제1 선형 방향으로 밸브로부터 멀어지게 하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
77. 제 74 항 내지 제 76 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 캠 팔로워는 브릿지에 이동식으로 장착되는 피스톤 머신용 밸브 배열.
78. 제 77 항에 있어서,
    제1 캠 팔로워는 편향 스프링에 의해 브릿지에 대하여 제2 방향으로 향하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
79. 제 77 항 또는 제 78 항에 있어서,
    제1 방향 또는 제2 방향으로의 제1 캠 팔로워의 위치는 밸브 리프트(valve lift)의 정도를 조정하도록 조정되는 피스톤 머신용 밸브 배열.
80. 제 73 항 내지 제 78 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개방 액츄에이터는 제2 캠 로브를 가지는 제2 회전식 캠을 포함하며,
    제2 캠의 회전시, 제2 캠 로브는 브릿지를 제2 선형 방향으로 향하게 하여 밸브를 확실히 여는 피스톤 머신용 밸브 배열.
81. 제 80 항에 있어서,
    밸브 배열는 브릿지에 장착되는 제2 캠 팔로워를 포함하며, 제2 캠 팔로워는 제2 선형 방향으로의 브릿지의 운동을 야기하도록 제2 캠과 연동하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
82. 제 81 항에 있어서,
    제2 캠 팔로워는 제2 캠과 밸브 사이에 위치하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
83. 제 77 항 내지 제 82 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 캠은 제1 캠과 동축으로 장착되고 회전식으로 불변하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
84. 제 73 항 내지 제 83 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 공통 캠샤프트에 장착되는 제1 및 제2 캠을 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
85. 제 73 항 내지 제 84 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격되는 적어도 2개의 제1 캠을 포함하며, 적어도 2개의 제1 캠은 브릿지에 장착된 대응하는 적어도 2개의 제1 캠 팔로워와 연동되는 피스톤 머신용 밸브 배열.
86. 제 73 항 내지 제 85 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격되는 적어도 2개의 제2 캠을 포함하며, 적어도 2개의 제2 캠은 브릿지에 장착된 대응하는 적어도 2개의 제2 캠 팔로워와 연동되는 피스톤 머신용 밸브 배열.
87. 제 73 항 내지 제 86 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 공통 캠샤프트를 따라 이격되는 복수의 제1 캠을 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
88. 제 80 항 내지 제 87 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제2 캠 로브는 제1 캠 로브가 브릿지를 제1 선형 방향으로 향하게 하고 있지 않을 때 제1 선형 방향으로의 브릿지의 운동을 더 제한하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
89. 제 73 항 내지 제 88 항 중 어느 한 항에 있어서,
    개방 액츄에이터는 밸브를 제2 선형 방향으로 편향시키기 위한 스프링을 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
90. 제 73 항 내지 제 89 항 중 어느 한 항에 있어서,
    브릿지는 제1 및 제2 브릿지 부분을 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
91. 제 90 항에 있어서,
    제1 및 제2 브릿지 부분은 제1 및 제2 브릿지 부분 사이에 개구(opening)를 형성하며, 캠샤프트는 사용중인 개구를 통해 뻗어있는 피스톤 머신용 밸브 배열.
92. 제 90 항 또는 제 91 항에 있어서,
    밸브는 제1 브릿지 부분과 연결되며, 밸브 배열는 제2 브릿지 부분에 장착되는 제1 캠 팔로워를 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
93. 제 92 항에 있어서,
    밸브 배열는 제1 브릿지 부분과 연결되는 제2 캠 팔로워를 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
94. 제 73 항 내지 제 93 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 브릿지로부터 측방향으로 보상(offset)하는 적어도 하나의 캠 및 캠 팔로워를 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
95. 제 73 항 내지 제 94 항 중 어느 한 항에 있어서,
    밸브 배열는 이격되어 배열되는 복수의 밸브, 브릿지 및 개방 액츄에이터를 포함하며, 각각의 개방 액츄에이터는 공통 캠샤프트에 각각 장착되는 적어도 하나의 제1 캠을 포함하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
96. a) 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    b) 밸브와 연결되는 브릿지; 및
    c) 브릿지의 캠 팔로워를 체결하고, 캠의 회전시 캠 팔로워 및 그에 따라 브릿지를 제1 선형 방향으로 향하게 하여 밸브를 확실히 닫는 캠 로브를 가지는 회전식 캠을 포함하는 폐쇄 액츄에이터를 포함하며,
    제1 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 닫게 하며, 제2 방향으로의 브릿지의 선형 운동은 밸브를 열게 하는 피스톤 머신용 밸브 배열.
97. a) 회전 샤프트;
    b) 내부 챔버를 형성하는 하우징;
    c) 챔버에 위치하고, 샤프트와 연결되며, 샤프트가 회전할 때 챔버 내부에서 움직이도록 구성되는 피스톤;
    d) 실린더에 부착되고, 피스톤에 마주하는 단부에서 챔버를 닫으며, 챔버와 각각의 매니폴드 사이의 유체 소통을 가능하게 하는 2개 이상의 포트를 포함하는 적어도 하나의 포트 그룹을 포함하는 헤드; 및
    e) 각 포트 그룹에 대하여:
    i) 포트 그룹의 각 포트에 대해, 각각의 포트를 통한 유체 흐름을 작동 제어하기 위한 밸브;
    ii) 밸브와 연결되는 브릿지;
    iii) 브릿지를 움직이게 하기 위한 액츄에이터를 각각 포함하고, 헤드와 연결되는 밸브 배열를 포함하며,
    헤드에 대한 브릿지의 운동은 밸브의 동기화된 작동을 야기하는 피스톤 머신.

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